70年70个瞬间（二十四）“东方超环”和“北斗三号”

　　1949年10月1日，主席在城楼上向全世界庄严宣布：“中华人民共和国中央人民政府今天成立了。”中国历史的新纪元由此开辟。70年前的那个“今天”，积贫积弱、百废待兴；70年后的这个“今天”，国富民强、百业俱兴。共和国艰辛探索，矢志不渝，攻坚克难，谱写了壮丽史诗，创造了人间奇迹。回望70年，一个个历史瞬间让人心潮澎湃，一个个高光时刻足以彪炳史册。为此，本刊记者集体采写“70年，70个瞬间”，作为共和国70年华诞的献礼。

　　2017年7月3日夜晚，国家大科学装置——世界上第一个全超导托卡马克（EAST）东方超环传出捷报：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。这标志着EAST成为了世界上第一个实现稳态高约束模式运行持续时间达到百秒量级的托卡马克核聚变实验装置。

　　这一具有里程碑意义的重要突破，表明我国磁约束聚变研究在稳态运行物理和工程方面走在国际前列，对国际热核聚变实验堆（ITER）和未来中国聚变工程试验堆（CFETR）建设和运行具有重大的科学意义。

　　煤炭、天然气、石油等化石能源因其不可再生而终将枯竭，人类未来的命运便在于寻找更加持久的清洁能源。能量巨大又不受制于地理条件限制且可作为主力能源的当属核能。

　　核能分为核裂变能与核聚变能。前者已经被人类用于发电，但裂变堆的核燃料蕴藏极为有限，放射性核废料的处理也是世纪难题；核聚变能却不存在上述问题，具有先天优越性。

　　核聚变能的物理基础是氢的同位素氘和氚发生聚变核反应。氘和氚基本没有放射性，反应的生成物是氦气，对环境完全无害。核聚变的原料储量也很丰富，氘可以直接从海水中提取，氚则可以通过氘和锂反应产生。据估算，一升海水中提炼出来的氘经过核聚变反应释放出的能量相当于300升的汽油。

　　如果人类掌握了核聚变，将拥有可使用十亿年的清洁能源。但是，在地球上实现持续核聚变所需的条件极为苛刻，只有在上亿摄氏度的高温等离子体环境下才能实现自发的持续核聚变反应。在地球上如何盛载上亿摄氏度的高温等离子体并加以约束控制，让它们在其中持续性地发生核聚变，便是重大挑战之一。

　　20世纪50年代，苏联科学家提出了磁约束的概念，并建成了一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器装置，人称托卡马克。托卡马克是一个由封闭磁场组成的“容器”，通电时，托卡马克的内部会产生巨大的螺旋形磁场，带电粒子会沿封闭的磁力线做螺旋式运动，上亿摄氏度高温的等离子体就这样被约束在这种环形的磁场中。托卡马克核聚变实验装置被公认为是探索、解决未来稳态聚变反应堆工程及物理问题的最有效的途径。

　　我国核聚变能研究始于20世纪五六十年代，尽管经历了长时间非常困难的环境，但始终能坚持稳定、渐进的发展，建成了两个发展中国家最大的、理工结合的大型现代化专业研究院所，即中国科学院等离子体物理研究所和核工业西南物理研究院，目前正在运行的实验装置是东方超环装置（EAST）和环流器二号装置（HL-2A）。其中，由我国科学家自主研制并拥有完全知识产权的EAST装置是世界首个全超导托卡马克核聚变实验装置。

　　EAST装置在研制过程中，解决了一系列关键技术难题，自主发展了68项关键技术，建成了20个子系统，完成装置建设并实现工程调试一次性成功。形成了多个重大创新点，如大型超导磁体、超高真空、偏滤器、超导导体生产等，填补相关国内空白并具有广泛的应用前景，一些独创的技术得到了国际同行的赞赏和借鉴。

　　EAST装置因其独有的全超导、非圆截面及主动冷却内部结构三大特性和在高参数下开展稳态实验研究的能力，已经成为国际磁约束聚变装置中最前沿的国际开放的实验平台之一。

　　EAST自2006年首次放电成功至今已开展了14轮物理实验，总放电超过8万次，先后创造多项托卡马克运行的世界纪录。其中2012年实现411秒2000万度高参数偏滤器等离子体和30秒高约束等离子体运行；2016年实现电子温度超过5000万摄氏度持续时间102秒的超高温长脉冲等离子体运行，以及获得超过60秒的稳态长脉冲高约束等离子体运行；2017年实现稳定的101.2秒稳态长脉冲高约束等离子体运行，成为世界上第一个实现稳态高约束模式运行持续时间达到百秒量级的托卡马克核聚变实验装置；2018年实现了电子温度1亿摄氏度的等离子体运行……

　　中国在2006年正式参加了全球规模最大、影响最深远的国际科技合作项目之一的国际热核聚变实验堆（ITER）计划。我方承担的ITER部件研发任务做到了100%合格、100%国产化、产品质量和进度均处于ITER七方30多个国家之首。凭借先进的研发工艺和质量标准，通过国际竞标赢得了欧盟无法完成的大型超导磁体建造任务，研制世界上最大的导体PF6采购包，自行设计研制的ITER高温超导大电流引线成为ITER参加七方中首个通过测试验收的ITER原型件，承担的PF5导体成为ITER七方中首件交付ITER现场的大件产品。此外，还实现向欧美发达国家的技术输出，部分产品国际市场占有率达到100%。

　　目前，EAST装置已成为国际磁约束聚变装置中最前沿的国际开放平台之一。新的国家大科学装置——聚变堆主机关键系统综合设施也正在建设当中。为了推动中国聚变工程试验堆（CFETR）项目，目前已经开展了CFETR项目工程设计和关键部件预研系列工作。

　　2011年，时任国家副主席习在中国科学院等离子体物理研究所视察时指出，核聚变能研究工作为人类在选择未来能源方面开辟了一条光明的道路。

　　在开发核聚变能的路上，我国已从“追赶者”跨越到“并跑者”，再到如今成为具备国际技术输出能力的“领跑者”。中国聚变科学家们始终坚守人类的能源梦想并为之奋斗不息，争取早日实现聚变能发电目标，在中国点亮核聚变能的“第一盏灯”，为世界核聚变研究做出更多的贡献。（叶华龙）

　　2017年11月5日19时45分，在西昌卫星发射中心，长征三号乙运载火箭以“一箭双星”方式成功发射第24、25颗北斗导航卫星。这两颗卫星属于中圆地球轨道卫星，是“北斗三号”卫星的首次发射。两颗卫星成功进入轨道，标志着北斗卫星导航系统全球组网的开始。到2020年，预计可完成30多颗组网卫星的发射，北斗卫星导航系统将最终实现全球服务能力。

　　“北斗三号”也就是北斗卫星全球导航系统，是我国北斗系统“三步走”发展战略的第三步。2009年，“北斗三号”工程正式启动建设，当时我国就确定了建设独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的全球卫星导航系统的发展目标。历经8年的卧薪尝胆，我国全面突破了系统核心技术，并先后完成了“北斗三号”的地面验证和在轨验证。

　　与“北斗二号”相比，“北斗三号”不仅让卫星组网从区域走向全球，同时技术上也更先进、建设规模更大、系统性更强。“北斗三号”增加了性能更优的互操作信号，在进一步提高基本导航服务能力的基础上，按照国际标准提供星基增强服务及搜索救援服务。此外，“北斗三号”采用星载氢原子钟，其计时精度将比“北斗二号”提高一个数量级。最后，在定位精度上，“北斗三号”是“北斗二号”的2倍，达到了2.5～5米的水平。

　　除了服务质量的升级，“北斗三号”还拥有两大特色，一个是星间链路技术，可以令处于地球两侧彼此“看不见”的卫星取得联系；另一个是短报文功能的升级，也就是在发送短报文的同时还可以将用户的位置信息发送出去，让其他人可以知道用户的情况，较好地解决了何人、何事、何地的问题，这成功地将短信和导航结合起来。

　　如今，从抢险救灾到精准农业，从渔业播报到危房监测，从共享单车到无人驾驶，卫星导航与位置服务已成为我国重要的战略性新兴产业。随着北斗卫星导航系统与互联网、大数据、云计算等技术融合发展，“北斗三号”的应用推广和产业化进程将不断加速。

　　另外，作为一套具有高精度、高可靠、高保险的服务系统，“北斗三号”正在阔步走向世界。近年来，北斗系统在老挝、泰国、巴基斯坦等国家相继落地应用，在“一带一路”建设中的施工测量、机械作业、安全保卫等方面发挥着重要作用。2018年，中国北斗卫星导航系统首个海外中心——中阿北斗中心，在位于突尼斯的阿拉伯信息通信技术组织总部落成运行，这对“北斗三号”在国际上的推广应用具有重大意义。

　　“司南之杓，投之于地，其柢指南。”中国古代的“司南”作为四大发明而彪炳史册，如今的“北斗三号”正是我们新时代下的“司南”，也是我们中国人智慧的结晶。相信在不久的未来，会有更多国家、更多用户使用北斗系统，助力“北斗”成为最闪耀的那颗星。（姚丁杨）