科技中國：大科學裝置助力騰飛

本刊記者

當前，世界新一輪科技革命浪潮奔涌，充滿機遇和挑戰。“工欲善其事，必先利其器?！敝卮罂茖W突破，科研儀器先行—從宇宙星辰到組成世界的基本粒子，科學發現與技術創新越來越離不開功能強大的科研儀器，特別是大科學裝置，這已經成為科技界的共識。近10年，500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）、中國散裂中子源、穩態強磁場實驗裝置、高海拔宇宙線觀測站等大科學裝置先后建成。這些大科學裝置有力地支撐了中國基礎研究和高新技術的發展，助力中國實現騰飛。

FAST―“中國天眼”

天文學一直是我國研究的重要領域之一。位于貴州省平塘縣的FAST，是目前世界上最大的單口徑射電望遠鏡，有“中國天眼”之稱。FAST作為500米口徑球面射電望遠鏡，開創了建造巨型望遠鏡的新模式，和美國阿雷西博射電望遠鏡一起被稱為“地球兩大天眼”，然而隨著阿雷西博射電望遠鏡的坍塌，FAST成為世界上唯一的“天眼”。“

自2016年9月建成起，FAST就受到了國內外天文和物理學界的廣泛關注。建設FAST的科學目標主要有5個：1.巡視宇宙中的中性氫，研究宇宙大尺度物理學，探索宇宙起源和演化；2.觀測脈沖星，研究極端狀態下的物質結構和物理規律；3.主導國際低頻甚長基線干涉測量網，獲得天體超精細結構；4.探測星際分子，研究恒星的形成和演化，探索太空的生命起源；5.搜索星際通信信號，搜尋地外文明。“中國天眼”是目前世界上最大、靈敏度最高的單口徑射電望遠鏡，它的建成使中國在射電天文領域從遠遠落后到領先世界20年。它的觀測能力是美國阿雷西博望遠鏡的2.25倍，可以把我們探測宇宙天體的能力拓展到137億年前。它可以驗證和探索很多宇宙奧秘，例如引力理論驗證、星系演化、恒星和行星起源，乃至物質和生命的起源等，是個身在洼地、心系深空的“天空實驗室”。

截止到2022年7月，FAST發現660余顆新脈沖星，成為世界上發現脈沖星效率最高的設備；獲得原恒星核包層中的高置信度的塞曼效應測量結果，為解決恒星形成三大經典問題之一提供重要觀測證據；獲得迄今最大的快速射電暴爆發事件樣本，首次提示了快速射電暴爆發率的完整能譜及其雙峰結構。如今，FAST已進入成果爆發期，憑著超高靈敏度的明顯優勢，成為中低頻射電天文領域的觀天利器，運行效率和質量不斷提高，年觀測時長超過5300小時，遠超國際同行預期的工作效率，為天文學科學研究提供了重要支撐。

EAST―“人造小太陽”

人類如今面臨著嚴峻的能源危機和環保壓力，如果人類能夠掌控核聚變反應，就如同掌握了開啟能源寶藏的鑰匙。一旦可控核聚變發電技術獲得突破，人類就將獲得幾乎無限的能量來源，再也不需要擔心能源緊缺和環保問題?？梢哉f，中國在核聚變研究方面站在了世界最前列。

建成于2006年的EAST裝置，是中國科學院等離子體物理研究所自主設計、研制并擁有完全知識產權的磁約束核聚變實驗裝置，也是世界首個具有非圓截面的全超導托卡馬克實驗裝置。EAST是“先進超導托卡馬克實驗”的縮寫，又有“東方”的含意，故EAST裝置中文名為“東方超環”，它還有一個更為人所熟知的名字—“人造小太陽”。

聚變反應需要的條件十分苛刻：在超高壓的太陽上，1500萬攝氏度的高溫即可滿足核聚變要求，但在地球上，需要在反應裝置內達到1億攝氏度以上的高溫。EAST同時具有“超高溫”“超低溫”“超大電流”“超強磁場”“超高真空”等極限條件，它的出現，讓人們看到了在地球上聚變反應物理實驗成功的曙光。

EAST是一種利用磁約束來實現受控核聚變的環形容器。它的中央是一個環形的真空室，外面纏繞著線圈。在通電的時候，EAST的內部會產生巨大的螺旋形磁場，將其中的等離子體加熱到很高的溫度，以達到核聚變的目的。EAST的運行原理就是在裝置的真空室內加入少量氫的同位素氘或氚，通過類似變壓器的原理使其產生等離子體，然后提高其密度、溫度使其發生聚變反應，反應過程中會產生巨大的能量。EAST有三大科學目標：1兆安等離子體電流、1億攝氏度高溫等離子體、1000秒運行時間。EAST于2010年成功運行1兆安等離子體電流；2018年首次獲得1億攝氏度高溫等離子體運行；2021年5月成功實現可重復的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行；2021年末實現1056秒的長脈沖高參數等離子體運行―這是目前世界上托卡馬克裝置高溫等離子體運行的最長時間。三大科學目標已經分別獨立完成。這一系列成就表明，我國磁約束核聚變研究在穩態運行的物理和工程方面走在國際前列。EAST的成功建設和運行被認為“是世界聚變工程的非凡業績，是世界聚變能開發的杰出成就和重要里程碑”。

穩態強磁場實驗裝置

強磁場是探索前沿科學的一種極端實驗條件，在發現新現象、催生新技術方面具有不可替代的作用。世界科技強國一直都非常重視強磁場實驗室的建設，但在過去很長一段時間里，我國在強磁場領域幾乎一片空白，這成為制約我國科技進步的一塊短板。

穩態強磁場實驗裝置是國家發展改革委“十一五”期間立項的國家重大科技基礎設施，于2017年9月27日在合肥通過國家驗收。該裝置是世界上第二臺達到這一級別的裝置，它包括10臺強磁場磁體裝置和6大類實驗測量系統以及極低溫、超高壓實驗系統，多項技術和性能達到國際領先水平，實現了我國穩態強磁場極端條件的重大突破。