我國新一代人造太陽“中國環流三號”創運行新紀錄
近日，中核集團核工業西南物理研究院再次創下我國聚變裝置運行新紀錄——新一代人造太陽“中國環流三號”實現百萬安培億度H模，即裝置同時實現等離子體電流一百萬安培、離子溫度1億度、高約束模式運行，綜合參數聚變三乘積再創新高，達到10的20次方量級，中國聚變快速挺進燃燒實驗。
衡量核聚變裝置及核聚變研究的水平，主要看三個參數：等離子體離子的溫度、密度和能量約束時間。這三項參數的乘積達到一定數值就可以實現核聚變反應，這就是著名的“聚變三乘積”。
2021年5月28日，習近平總書記在兩院院士大會上指出，新一代“人造太陽”首次放電是我國重大基礎研究取得的重要進展。總書記在大會上強調，要更加重視青年人才培養，努力造就一批具有世界影響力的頂尖科技人才，穩定支持一批創新團隊，培養更多高素質技術技能人才、能工巧匠、大國工匠。
4年過去，這支平均年齡只有35歲的年輕團隊，牢記總書記囑托，逐夢核聚變前沿，相繼取得了“等離子體電流突破115萬安培”、“100萬安培等離子體電流下的高約束模式運行”、“原子核、電子溫度突破雙億度”等重大科技突破。在這一重要的時間節點，本報記者采訪了這支團隊，解碼這群“追逐太陽”的人背后的青春奮斗密碼，見證他們是如何坐著“冷板凳”點亮“億度”理想。
堅持用“中國智造”點燃億度高溫
在可控核聚變領域，解鎖“億度”高溫，需要“刀槍棍棒斧鉞鉤叉，十八般武藝樣樣精通”。3月28日，“中國環流三號”國內首次實現原子核溫度1.17億度、電子溫度1.6億度的“雙億度”重大突破。與此同時“爆料”的還有一大批原創性、前沿性、突破性成果：高功率微波回旋管、高功率中性束注入加熱系統投入運行，首次提出并實現了提高芯部能量約束的新方法，自主研發的聚變裝置控制系統（CODIS）實現廣泛運用，國際首套、精準度2倍于國際同行的三光柵精密光譜儀及緊湊型湯姆遜散射多色儀等核心裝備突破聚變大科學裝置診斷測量的核心技術難題……但這一大批“中國智造”背后是幾代科研人跨越數十年的“突圍戰”。
2004年，加熱與電流驅動負責人白興宇剛來西物院時，院里還沒有中性束和電子回旋加熱，只有一套老式的低雜波加熱系統，“那套系統年紀沒比我小多少，用的部件都是從國外幾經輾轉回來的不知幾手貨”，白興宇回憶道，“當時的主流思想還是造不如買”，“但我們就是覺得得靠自己把加熱系統做出來”。
2009到2020年，他們先后攻克了電子回旋各種傳輸部件和天線的研制技術。從2020年開始，他們又盯上了高功率微波回旋管，開啟了一場以全套電子回旋系統國產化為目標、始料未及到的漫長“掘進”。
微波回旋管最核心的部分是一個高2米多、重達300余公斤的金屬圓筒，團隊成員習慣稱其為“管子”。因為要發射高功率毫米波，使等離子體中的電子發生回旋共振吸收能量，將等離子體加熱至億攝氏度量級，所以看似“笨重”的“管子”其實有著極為精密的內部結構，其內部真空度要求優于10-8Pa量級，如此大尺寸的不同材料，多層復雜高精焊接，對材料、加工和焊接工藝等都有著嚴苛的要求。“光物理的分析、研究，我們就花了3年多的時間”，“怎么保證真空度，從設計到工藝我們更是嘗試了無數次。”白興宇回憶說。
4年多的時間里，團隊一邊探索，一邊優化；一邊制造，一邊迭代設計。推倒重來成了家常便飯，撞墻碰壁更是數不勝數。從第1個到第2個，再到第3、第4個，“管子”終于出現了有功率的跡象，團隊開始了針對第4號“管子”的細心調試。
“當時真的很疲憊，不光是肉體的疲憊，更是精神上的疲憊”，“那時候我們真的不知道它行不行，有時候一兩個星期沒有一點進展。”白興宇聲音哽咽道。這時候，中核集團科技帶頭人黃梅起到了定海神針的作用，她頂著高溫酷暑，親自帶領團隊進行調試。在調試期間，團隊每天都要進行數百次“放炮實驗”，每次數據都要采集，進行各參數的反復分析、比對，尋找“看不見”的調整方向。“我們不怕坐冷板凳，我們也不怕996、997，我們只怕看不到希望，尤其還有其他那么多兄弟科室陪著我們一起調試，一起干。”說出這句話時，這位從進門開始便一直洋溢著爽朗笑聲的男人，眼眶已微紅，眼里是忍不住的淚花。
在經歷幾個月的高壓從20千伏加到40千伏，加到42千伏后打火，然后再退回到30千伏，甚至10千伏重新來過。經過這樣的反復嘗試后，團隊終于摸到了4號“管子”能放功率的邊界，“行不行”的問題得到了根本解決。
3月28日，這根飽含著團隊心血的“中國管”“爭氣管”跟其他3根外購微波回旋管同臺亮相，“中國管”第一次涉足億度高溫這一聚變前沿。而它只是團隊“中國智造”的一個縮影。
“碰撞”才能碰出“真理”的火花
作為一支年輕的團隊，人造太陽團隊是一支“沒大沒小”的團隊，他們信奉“碰撞”才能碰出“真理”的火花。
2024年12月初，指揮控制中心的大屏幕前，每個人的心情都像那屏幕上跳動的數字一樣焦灼。“當時無論我們怎么調整參數，溫度就是突破不了4000萬度。”運行控制負責人李波回憶道，“我們當時是按照文獻上的思路和國際上其他裝置通用的方法去運行的，可試了幾十上百次，溫度就是上不去。”
作為團隊里的小將，張均釗和他的小伙伴們同樣為這一難題輾轉難眠。團隊的工作群里，滿是大家甩出的文獻、資料。“那天晚上我剛好也沒睡著，我看均釗往群里發了一個文獻，還有好幾段幾十秒的長語音”，新一代人造太陽“駕駛員”陳逸航說：“當時他提出要突破常規運行區間，這確實給我打開了一個新思路。”當晚，在群里達成簡單共識后，張均釗第二天就提出了初步方案。很快，這一想法在團隊內部引發了激烈討論，幾輪“碰撞”后，新的運行方案全新出爐。調整后的放電實驗，離子溫度不斷上升，從4000萬度躍升至6000萬度。同時，團隊還發現了一個關鍵的物理機制——高能中性束穿透過深導致能量逸散的問題。
“我們一直有這樣一種常態化的討論機制，大家從各個維度去思考、想辦法，任何一種想法如果要上機做實驗，你需要去說服大家，在團隊中達成共識，但我們對任何想法都是很open的。”李波笑道。
由于實驗時間緊迫，這群平常不怎么說話、更不愛辯論的理工科青年們常常爭論得面紅耳赤。等離子體診斷任務組組成員蔣敏和朱毅仁提出“階梯式匹配加熱”構想；張均釗和他的伙伴們共同設計出多參數協同調控模型；00后“小將”楊碩蘇緊盯紛雜的光譜曲線解析原子核溫度數據；中性束團隊的羅懷宇創新提出加熱功率的改進方案……
正如習近平總書記所強調的，“要充分激發新時代青年在中國式現代化建設中挺膺擔當”，“把培育國家戰略人才力量的政策重心放在青年科技人才上，支持青年人才挑大梁、當主角”。在無數次大膽的“碰撞”中，這群平均年齡30多歲的科研尖兵，今年用120余天完成了千余次的方案迭代，以無數次“真理”的火花引燃了中國核聚變“雙億度”高溫，實現了我國可控核聚變技術的歷史性跨越。
人造太陽團隊的“聚變乘積”原理
衡量核聚變裝置及核聚變研究的水平，主要看三個參數：等離子體離子的溫度、密度和能量約束時間。這三項參數的乘積達到一定數值就可以實現核聚變反應，這就是著名的“聚變三乘積”。而新一代人造太陽團隊也有著他們自己的“聚變乘積”原理。
白興宇回憶“雙破億”當天的情景時，一個細節引起記者注意：“您當時的第一反應為什么是跑出去告訴電機、低溫、水系統的同事們這個好消息？”“因為他們不在大廳不知道，但是他們也著急。”白興宇不假思索道。“大家都是主角，沒有配角”，這或許就是人造太陽團隊的“聚變乘積”原理。
作為“中國環流三號”激光散射系統研發團隊的一員，“新時代青年先鋒”翟文延說：“我們是這臺裝置的‘眼睛’，去追尋、辨別億度高溫下裝置內的粒子軌跡；有人是‘心臟’，為裝置點火，持續不斷注入能量；有人是‘皮膚’，構建屏蔽，抵御極限；還有人是‘大腦’，綜合、解析各類數據，運籌帷幄，臨場決斷……”也有人是“預備隊”，在沖擊“破億度”的最后階段，低雜波系統團隊全員在控制大廳待命，跳動的數字攪動著他們的心。雖然最終他們并未獲得參與加熱的機會，但這群年輕人們卻異常開心：“沒什么遺憾，這就是‘飽和式救援’。”
作為一項龐大的系統工程，人造太陽的每一次實驗都是多系統、多專業、多團隊的協同作業，每一次問題的解決也都是不同主體、不同方向力的和諧。這一份力的托舉，甚至來自另一個世界。
在西物院的檔案室里，珍藏著一沓泛黃的鉛筆手稿。這是已故中性束專家曹建勇研究員留下的中性束設計方案。紙頁上層層疊疊的修改痕跡，仿佛還能看到他熬夜伏案的身影。“我們是踩在他的肩膀上，在他的方案基礎上發展出了現在的中性束。”白興宇動情道。從2022年曹建勇離世到如今的數年間，中性束研發團隊成功建成投運第二套高功率中性束注入加熱系統，并在短短的半年內實現單源最大束流40.8A，超過系統設計目標，推動中國在相關領域躋身國際第一梯隊。
如今，在“中國環流三號”的未來藍圖上，人造太陽團隊的每個人都在放大、平衡自己所在的“參數”，協同相乘，書寫屬于他們的“聚變乘積”奇跡公式。
作者｜核芯報道工作室? 馬超