大科学装置，被誉为“国之重器”，是以实现重大科技和公益服务为目标的国家重大科技基础设施。作为综合性国家科学中心，如今，合肥已成为我国大科学装置最集中的城市之一。7月16日，中国科学院合肥研究院举行大科学装置主题日活动，记者获悉，正在加紧建设的聚变堆主机关键系统综合研究设施园区工程有望明年年底竣工交付。同时，合肥“科学岛”正预研建设一个世界最高磁场强度的系列稳态强磁场装置，探索解决国家重大科技领域需求中的瓶颈问题。
【建设篇】
“聚变堆”园区工程有望明年年底竣工交付
按照合肥综合性国家科学中心“2+8+N+3”的发展路线图，除了提升拓展现有的全超导托卡马克、稳态强磁场等3个大科学装置性能，合肥将新建聚变堆主机关键系统综合研究设施、合肥先进光源等5个大科学装置。其中，作为合肥综合性国家科学中心获批以来第一个落户合肥的国家大科学装置项目，聚变堆主机关键系统综合研究设施园区工程已于2018年12月14日正式开工建设。
昨日，记者来到位于庐阳区合肥综合性国家科学中心大科学装置集群区内，发现正在这里建设的聚变堆主机关键系统综合研究设施园区，已经初见雏形。
一进园区，映入眼帘的是一圈巨大的半环形楼宇。合肥研究院科学中心与基础设施处处长张寿彪介绍，这栋楼宇是科研人员办公楼，主要包括科学家工作室、科研楼、综合楼、人才公寓等，该建筑即将封顶。
“‘聚变堆园区’总占地600亩，除了科研人员办公楼，还包括占地面积最大的若干幢科研实验厂房，以及变电站控制楼、水冷系统等支撑配套系统设施。目前，这些建筑及设施还在加紧建设当中。”张寿彪表示，预计今年年底，所有建筑主体结构封顶，到明年年底，全部工程竣工，正式交付。“园区是设施的载体，目前，聚变堆主机关键系统综合研究设施主体也正在合肥研究院以及相关工厂加紧研制中，预计2025年完成。”
“聚变堆”大科学装置是做什么的?记者获悉，聚变能由于具有清洁、环保、安全、原材料储量极其丰富等优点，被认为是最终解决人类能源问题的战略能源。该设施建成后，有望成为国际磁约束聚变领域参数最高、功能最完备的综合性研究平台，同时，也将成为中国工程聚变堆(CFETR)重要的前期验证平台。“通过这个设施，科研人员将实验、检验核聚变发电站的相关科学技术问题，以此推动人类实现源源不断获得清洁能源的梦想。”合肥研究院强磁场中心学术主任匡光力说。
记者发现，在“聚变堆”设施的北面，还预留了大气环境立体探测实验大科学装置的位置。“目前，该装置正在前期预研中，规划在该位置建设。”张寿彪说。
【技术篇】
“人造太阳”实验装置朝未来实际应用再迈重要一步
提到目前合肥已建成的大科学装置的“C位”，许多人脑海中的“C位”是位于合肥研究院的“人造小太阳”——全超导托卡马克核聚变实验装置。2017年，其实现了稳定的101.2秒稳态长脉冲高约束等离子体运行，创造了新的世界纪录，2018年，其首次实现等离子体中心电子温度一亿度运行，朝着未来聚变堆实验目标迈出了关键一步。
记者获悉，日前，“人造太阳”实验装置的又一项里程碑式的突破，获得2019年度安徽省科学技术奖自然科学一等奖。
该项突破是由合肥研究院等离子体所聚变堆物理设计与先进磁约束装置研究室主任高翔等人完成的“EAST双输运垒的实现及其应用”。在该项研究中，科研团队在EAST全超导托卡马克装置上，理论模拟并实现了一种准稳态、同时具有ETB和ITB(即双输运垒)的等离子体。同时，项目组在EAST双输运垒先进等离子体模式研究基础上，利用集成模拟程序优化了约束、平衡与稳定性，完成了CFETR的堆芯物理设计。
该项成果对实验有何作用?高翔介绍，要想通过核聚变实现清洁能源的产出及应用，需要做到高能量约束，这主要受三方面因素影响，第一是等离子体的温度，第二是等离子体的燃烧时间，第三是等离子体的浓度。“双输运垒运行模式，相当于在装置中建立了两道‘水坝’，阻碍能量和等离子‘逃脱’，这使得等离子体实验温度能够尽快提升上去，并且维持更长时间的燃烧。”高翔说。
“未来，真正实现核聚变发电商业化应用的一项要求，就是等离子体每天需持续燃烧8至12小时。目前，我们离这个目标还有相当长的距离，但此项重大进展，是一个‘里程碑’，具有重要的科学意义。”高翔表示。
【成果篇】
合肥或将建设世界最高磁场强度的系列稳态强磁场装置
实际上，大科学装置主要分为专用研究设施、公共实验设施，以及公益科技设施三大类。“人造太阳”实验装置就属于专用研究设施，它的目的就是通过不断的实验帮助人类实现源源不断清洁能源的应用。而公共实验装置则相当于一个实验平台，依托其能够进行多类型的科学实验。位于合肥“科学岛”上的稳态强磁场装置就是该类型的典型代表。
匡光力介绍，强磁场与极低温、超高压一样，被列为现代科学实验最重要的极端条件之一。在人类生活中，手机、电脑等无不与此现象有关。在强磁场的“魔力”下，某些超导体可以瞬间变成绝缘体，而一些普通材料会变成全新导体。自1913年以来，世界上有19项与强磁场有关的诺贝尔奖，仅近20年就有8项。位于合肥“科学岛”上的稳态强磁场装置，其混合磁体最高场强达到了43.9T，是目前世界第二高的稳态磁场，因此，近些年，依托该实验条件，产出了一大批具有国际影响力的高水平成果。
“磁场越高，科学发现的机遇越多。”匡光力介绍，此前，稳态强磁场实验团队中有一位研究生物磁效应的教师，她将培养出的癌细胞放置在强磁场装置中，几个小时后，惊人地发现高强磁场对癌细胞有了明显的抑制作用，对正常细胞却几乎没有影响。研究一经发表就引起了不小轰动。“当然，这个发现还需要继续探索下去。”匡光力表示，近些年包括由“科学岛”研发的国内首个针对急性白血病的1类创新靶向药物，以及相关新型材料的成果产出，都利用了稳态强磁场装置。
“当前装置的场强已经非常高了，但是还不足够。”匡光力表示，目前，团队还在预研建设一个强光磁集成实验设施，该装置建成后，将具有更高的场强。“我们的目标是将其建造成以55T级混合磁体、36T级超导磁体为代表的具有世界最高磁场强度的系列稳态强磁场装置。”匡光力介绍，有了这个装置，将有望有效解决新型电子材料、生命电荷传输、高温超导机理及应用、新药创制、能源化工等国家重大需求中的瓶颈问题。记者 刘畅司晨
