合肥“科學島”預建世界最高磁場強度的系列穩態強磁場裝置

大科學裝置，被譽為“國之重器”，是以實現重大科技和公益服務為目標的國家重大科技基礎設施。作為綜合性國家科學中心，如今，合肥已成為我國大科學裝置最集中的城市之一。7月16日，中國科學院合肥研究院舉行大科學裝置主題日活動，記者獲悉，正在加緊建設的聚變堆主機關鍵系統綜合研究設施園區工程有望明年年底竣工交付。同時，合肥“科學島”正預研建設一個世界最高磁場強度的系列穩態強磁場裝置，探索解決國家重大科技領域需求中的瓶頸問題。

【建設篇】

“聚變堆”園區工程有望明年年底竣工交付

按照合肥綜合性國家科學中心“2+8+N+3”的發展路線圖，除了提升拓展現有的全超導托卡馬克、穩態強磁場等3個大科學裝置性能，合肥將新建聚變堆主機關鍵系統綜合研究設施、合肥先進光源等5個大科學裝置。其中，作為合肥綜合性國家科學中心獲批以來第一個落戶合肥的國家大科學裝置項目，聚變堆主機關鍵系統綜合研究設施園區工程已于2018年12月14日正式開工建設。

昨日，記者來到位于廬陽區合肥綜合性國家科學中心大科學裝置集群區內，發現正在這里建設的聚變堆主機關鍵系統綜合研究設施園區，已經初見雛形。

一進園區，映入眼簾的是一圈巨大的半環形樓宇。合肥研究院科學中心與基礎設施處處長張壽彪介紹，這棟樓宇是科研人員辦公樓，主要包括科學家工作室、科研樓、綜合樓、人才公寓等，該建筑即將封頂。

“‘聚變堆園區’總占地600畝，除了科研人員辦公樓，還包括占地面積最大的若干幢科研實驗廠房，以及變電站控制樓、水冷系統等支撐配套系統設施。目前，這些建筑及設施還在加緊建設當中。”張壽彪表示，預計今年年底，所有建筑主體結構封頂，到明年年底，全部工程竣工，正式交付。“園區是設施的載體，目前，聚變堆主機關鍵系統綜合研究設施主體也正在合肥研究院以及相關工廠加緊研制中，預計2025年完成。”

“聚變堆”大科學裝置是做什么的?記者獲悉，聚變能由于具有清潔、環保、安全、原材料儲量極其豐富等優點，被認為是最終解決人類能源問題的戰略能源。該設施建成后，有望成為國際磁約束聚變領域參數最高、功能最完備的綜合性研究平臺，同時，也將成為中國工程聚變堆(CFETR)重要的前期驗證平臺。“通過這個設施，科研人員將實驗、檢驗核聚變發電站的相關科學技術問題，以此推動人類實現源源不斷獲得清潔能源的夢想。”合肥研究院強磁場中心學術主任匡光力說。

記者發現，在“聚變堆”設施的北面，還預留了大氣環境立體探測實驗大科學裝置的位置。“目前，該裝置正在前期預研中，規劃在該位置建設。”張壽彪說。

【技術篇】

“人造太陽”實驗裝置朝未來實際應用再邁重要一步

提到目前合肥已建成的大科學裝置的“C位”，許多人腦海中的“C位”是位于合肥研究院的“人造小太陽”——全超導托卡馬克核聚變實驗裝置。2017年，其實現了穩定的101.2秒穩態長脈沖高約束等離子體運行，創造了新的世界紀錄，2018年，其首次實現等離子體中心電子溫度一億度運行，朝著未來聚變堆實驗目標邁出了關鍵一步。

記者獲悉，日前，“人造太陽”實驗裝置的又一項里程碑式的突破，獲得2019年度安徽省科學技術獎自然科學一等獎。

該項突破是由合肥研究院等離子體所聚變堆物理設計與先進磁約束裝置研究室主任高翔等人完成的“EAST雙輸運壘的實現及其應用”。在該項研究中，科研團隊在EAST全超導托卡馬克裝置上，理論模擬并實現了一種準穩態、同時具有ETB和ITB(即雙輸運壘)的等離子體。同時，項目組在EAST雙輸運壘先進等離子體模式研究基礎上，利用集成模擬程序優化了約束、平衡與穩定性，完成了CFETR的堆芯物理設計。

該項成果對實驗有何作用?高翔介紹，要想通過核聚變實現清潔能源的產出及應用，需要做到高能量約束，這主要受三方面因素影響，第一是等離子體的溫度，第二是等離子體的燃燒時間，第三是等離子體的濃度。“雙輸運壘運行模式，相當于在裝置中建立了兩道‘水壩’，阻礙能量和等離子‘逃脫’，這使得等離子體實驗溫度能夠盡快提升上去，并且維持更長時間的燃燒。”高翔說。

“未來，真正實現核聚變發電商業化應用的一項要求，就是等離子體每天需持續燃燒8至12小時。目前，我們離這個目標還有相當長的距離，但此項重大進展，是一個‘里程碑’，具有重要的科學意義。”高翔表示。

【成果篇】

合肥或將建設世界最高磁場強度的系列穩態強磁場裝置

實際上，大科學裝置主要分為專用研究設施、公共實驗設施，以及公益科技設施三大類。“人造太陽”實驗裝置就屬于專用研究設施，它的目的就是通過不斷的實驗幫助人類實現源源不斷清潔能源的應用。而公共實驗裝置則相當于一個實驗平臺，依托其能夠進行多類型的科學實驗。位于合肥“科學島”上的穩態強磁場裝置就是該類型的典型代表。

匡光力介紹，強磁場與極低溫、超高壓一樣，被列為現代科學實驗最重要的極端條件之一。在人類生活中，手機、電腦等無不與此現象有關。在強磁場的“魔力”下，某些超導體可以瞬間變成絕緣體，而一些普通材料會變成全新導體。自1913年以來，世界上有19項與強磁場有關的諾貝爾獎，僅近20年就有8項。位于合肥“科學島”上的穩態強磁場裝置，其混合磁體最高場強達到了43.9T，是目前世界第二高的穩態磁場，因此，近些年，依托該實驗條件，產出了一大批具有國際影響力的高水平成果。

“磁場越高，科學發現的機遇越多。”匡光力介紹，此前，穩態強磁場實驗團隊中有一位研究生物磁效應的教師，她將培養出的癌細胞放置在強磁場裝置中，幾個小時后，驚人地發現高強磁場對癌細胞有了明顯的抑制作用，對正常細胞卻幾乎沒有影響。研究一經發表就引起了不小轟動。“當然，這個發現還需要繼續探索下去。”匡光力表示，近些年包括由“科學島”研發的國內首個針對急性白血病的1類創新靶向藥物，以及相關新型材料的成果產出，都利用了穩態強磁場裝置。

“當前裝置的場強已經非常高了，但是還不足夠。”匡光力表示，目前，團隊還在預研建設一個強光磁集成實驗設施，該裝置建成后，將具有更高的場強。“我們的目標是將其建造成以55T級混合磁體、36T級超導磁體為代表的具有世界最高磁場強度的系列穩態強磁場裝置。”匡光力介紹，有了這個裝置，將有望有效解決新型電子材料、生命電荷傳輸、高溫超導機理及應用、新藥創制、能源化工等國家重大需求中的瓶頸問題。記者 劉暢司晨