如果要問(wèn)，世界上最難的科學(xué)研究是什么？在中國(guó)工程院院士潘垣眼中，毫無(wú)疑問(wèn)是磁約束核聚變，也就是“人造太陽(yáng)”。如何將這一“科幻”照進(jìn)現(xiàn)實(shí)？一起來(lái)看他多年的探索。

潘垣院士（圖片來(lái)源：湖北省科技廳）

“我最大的愿望就是不讓苦難在我的祖國(guó)重演，要讓我的祖國(guó)強(qiáng)盛起來(lái)?！敝袊?guó)工程院院士、華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院教授潘垣，這一輩子的科研成果有很多，歸根到底都是服務(wù)國(guó)家迫切需求，探索能源。

追逐“人造太陽(yáng)”

今年，潘垣院士已經(jīng)90歲高齡。他說(shuō)，在他所有的科研成果中，最讓他驕傲也最牽掛的，就是“人造太陽(yáng)”?？茖W(xué)上來(lái)講，叫做磁約束核聚變。

“為什么叫‘人造太陽(yáng)’？它的目的就是能源，核聚變能力就是要把氫彈控制起來(lái)，讓它慢慢地釋放能量?！迸嗽f(shuō)。

這項(xiàng)工程到底有多難？

潘垣解釋，太陽(yáng)核聚變的發(fā)生離不開巨大的太陽(yáng)引力，高溫高壓條件下，充斥在太陽(yáng)內(nèi)部的氫原子核外電子擺脫束縛，其中兩個(gè)原子核互相吸引、碰撞，進(jìn)而發(fā)生聚變反應(yīng)。但畢竟，地球的引力僅僅是太陽(yáng)的三十三萬(wàn)分之一。要在地球上將超高溫等離子體約束起來(lái)，實(shí)現(xiàn)可控核聚變，難度堪比“夸父逐日”。

早在1984年，潘垣參與并完成了中國(guó)第一座“人造太陽(yáng)”裝置——中國(guó)環(huán)流器一號(hào)。

建造中國(guó)環(huán)流器一號(hào)之初，所需的參考材料極為缺乏，工程設(shè)計(jì)人員手里僅有介紹原蘇聯(lián)相關(guān)裝置概況的4頁(yè)文章。至于裝置的每一個(gè)部件具體該怎樣設(shè)計(jì)，需要自己摸索琢磨。

“主接線圖、控制系統(tǒng)的邏輯圖都是我自己畫的，那時(shí)候年輕，晚上一搞就搞到12點(diǎn)，甚至更晚都有。裝置很復(fù)雜，超高真空、外通電源好幾套，一邊畫一邊思考、討論，反復(fù)修改，裝置的尺寸配合總體是穩(wěn)定的?！迸嗽貞浀馈?/p>

此外，還需要解決設(shè)備來(lái)源的問(wèn)題。潘垣與外部工廠合作，進(jìn)行了大量的設(shè)備研發(fā)。其中最令他自豪的是其主持研發(fā)的兩臺(tái)交流脈沖發(fā)電機(jī)，這為中國(guó)核聚變領(lǐng)域的發(fā)展提供了強(qiáng)大的動(dòng)力。這兩臺(tái)80兆瓦的脈沖發(fā)電機(jī)是當(dāng)時(shí)中國(guó)發(fā)電機(jī)容量最大的兩臺(tái)發(fā)電機(jī)，至今仍在使用。

潘垣和團(tuán)隊(duì)克服萬(wàn)難，終于在1984年9月21日，成功研制中國(guó)環(huán)流器一號(hào)裝置研制。它標(biāo)志著我國(guó)受控核聚變研究由原理探索進(jìn)入到規(guī)模物理實(shí)驗(yàn)階段，為中國(guó)核聚變研究和發(fā)展提供了重要的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，成為中國(guó)受控核聚變研究發(fā)展的一個(gè)里程碑。

環(huán)流一號(hào)研制成功后，核聚變的相關(guān)研究一直都是潘垣的核心工作。2016年，潘垣又將聚變材料鎖定為氘元素，在國(guó)際上首創(chuàng)提出了新的技術(shù)路徑——氘氘聚變。

去年11月，湖北省重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“磁約束氘氘聚變中子源預(yù)研裝置”項(xiàng)目獲批，在武漢新城光谷科學(xué)島啟動(dòng)建設(shè)，潘垣和他的學(xué)生將圍繞項(xiàng)目建設(shè)繼續(xù)探索。

探索終極能源

潘垣的關(guān)注點(diǎn)從來(lái)都是瞄準(zhǔn)國(guó)家所需，目標(biāo)鎖定人無(wú)我有、人有我強(qiáng)、人強(qiáng)我新。

除了核聚變能源，潘垣還致力于中國(guó)脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置的建設(shè)。20世紀(jì)末，潘垣敏銳地注意到，自20世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)以來(lái)，歐、美相繼建設(shè)了脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室。他隨即于2001年提出盡快建設(shè)中國(guó)脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置，這后來(lái)成為“十一五”期間我國(guó)建設(shè)的12項(xiàng)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施之一。

為推進(jìn)工程，潘垣帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)提出雙電容器耦合動(dòng)態(tài)調(diào)控方案，解決了脈沖平頂磁場(chǎng)生成過(guò)程中的一些技術(shù)難題，使得我國(guó)在脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)技術(shù)方面走在了世界前列。

截至2022年底，該設(shè)施已累計(jì)運(yùn)行超過(guò)7萬(wàn)小時(shí)，為北京大學(xué)、清華大學(xué)、中科院物理研究所等119個(gè)國(guó)內(nèi)外科研單位提供科學(xué)研究服務(wù)1677項(xiàng)，在Nature、Science、PRL等期刊發(fā)表論文1385篇，取得了包括發(fā)現(xiàn)第三種規(guī)律新型量子振蕩等在內(nèi)的一大批原創(chuàng)成果。

潘垣常年訂閱四份報(bào)紙，從國(guó)家發(fā)展的脈絡(luò)里，找尋自己的專業(yè)背景能夠解決的難題。

針對(duì)京津冀霧霾問(wèn)題，他提出建設(shè)柔性直流電網(wǎng)，為2022年冬奧會(huì)的成功舉辦提供了優(yōu)質(zhì)環(huán)境保障；針對(duì)南方電網(wǎng)用電負(fù)荷大的問(wèn)題，他創(chuàng)新研發(fā)世界首臺(tái)50萬(wàn)伏機(jī)械型直流斷路器，避免電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的損失……

眼下，潘垣團(tuán)隊(duì)正在對(duì)瞬間升溫和能源回收方向，進(jìn)行多類型實(shí)驗(yàn)，朝著終極能源的方向不斷探索。潘垣說(shuō)，這是他的收官之作，也是世界上最困難的科研工作。他可能看不到自己的收官之作在國(guó)際舞臺(tái)大放異彩的那天了，但只要中國(guó)人能借此站上世界之巔，他就高興。