科技中国：大科学装置助力腾飞

本刊记者

当前，世界新一轮科技革命浪潮奔涌，充满机遇和挑战。“工欲善其事，必先利其器。”重大科学突破，科研仪器先行—从宇宙星辰到组成世界的基本粒子，科学发现与技术创新越来越离不开功能强大的科研仪器，特别是大科学装置，这已经成为科技界的共识。近10年，500米口径球面射电望远镜（FAST）、中国散裂中子源、稳态强磁场实验装置、高海拔宇宙线观测站等大科学装置先后建成。这些大科学装置有力地支撑了中国基础研究和高新技术的发展，助力中国实现腾飞。

FAST―“中国天眼”

天文学一直是我国研究的重要领域之一。位于贵州省平塘县的FAST，是目前世界上最大的单口径射电望远镜，有“中国天眼”之称。FAST作为500米口径球面射电望远镜，开创了建造巨型望远镜的新模式，和美国阿雷西博射电望远镜一起被称为“地球两大天眼”，然而随着阿雷西博射电望远镜的坍塌，FAST成为世界上唯一的“天眼”。“

自2016年9月建成起，FAST就受到了国内外天文和物理学界的广泛关注。建设FAST的科学目标主要有5个：1.巡视宇宙中的中性氢，研究宇宙大尺度物理学，探索宇宙起源和演化；2.观测脉冲星，研究极端状态下的物质结构和物理规律；3.主导国际低频甚长基线干涉测量网，获得天体超精细结构；4.探测星际分子，研究恒星的形成和演化，探索太空的生命起源；5.搜索星际通信信号，搜寻地外文明。“中国天眼”是目前世界上最大、灵敏度最高的单口径射电望远镜，它的建成使中国在射电天文领域从远远落后到领先世界20年。它的观测能力是美国阿雷西博望远镜的2.25倍，可以把我们探测宇宙天体的能力拓展到137亿年前。它可以验证和探索很多宇宙奥秘，例如引力理论验证、星系演化、恒星和行星起源，乃至物质和生命的起源等，是个身在洼地、心系深空的“天空实验室”。

截止到2022年7月，FAST发现660余颗新脉冲星，成为世界上发现脉冲星效率最高的设备；获得原恒星核包层中的高置信度的塞曼效应测量结果，为解决恒星形成三大经典问题之一提供重要观测证据；获得迄今最大的快速射电暴爆发事件样本，首次提示了快速射电暴爆发率的完整能谱及其双峰结构。如今，FAST已进入成果爆发期，凭着超高灵敏度的明显优势，成为中低频射电天文领域的观天利器，运行效率和质量不断提高，年观测时长超过5300小时，远超国际同行预期的工作效率，为天文学科学研究提供了重要支撑。

EAST―“人造小太阳”

人类如今面临着严峻的能源危机和环保压力，如果人类能够掌控核聚变反应，就如同掌握了开启能源宝藏的钥匙。一旦可控核聚变发电技术获得突破，人类就将获得几乎无限的能量来源，再也不需要担心能源紧缺和环保问题。可以说，中国在核聚变研究方面站在了世界最前列。

建成于2006年的EAST装置，是中国科学院等离子体物理研究所自主设计、研制并拥有完全知识产权的磁约束核聚变实验装置，也是世界首个具有非圆截面的全超导托卡马克实验装置。EAST是“先进超导托卡马克实验”的缩写，又有“东方”的含意，故EAST装置中文名为“东方超环”，它还有一个更为人所熟知的名字—“人造小太阳”。

聚变反应需要的条件十分苛刻：在超高压的太阳上，1500万摄氏度的高温即可满足核聚变要求，但在地球上，需要在反应装置内达到1亿摄氏度以上的高温。EAST同时具有“超高温”“超低温”“超大电流”“超强磁场”“超高真空”等极限条件，它的出现，让人们看到了在地球上聚变反应物理实验成功的曙光。

EAST是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器。它的中央是一个環形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候，EAST的内部会产生巨大的螺旋形磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。EAST的运行原理就是在装置的真空室内加入少量氢的同位素氘或氚，通过类似变压器的原理使其产生等离子体，然后提高其密度、温度使其发生聚变反应，反应过程中会产生巨大的能量。EAST有三大科学目标：1兆安等离子体电流、1亿摄氏度高温等离子体、1000秒运行时间。EAST于2010年成功运行1兆安等离子体电流；2018年首次获得1亿摄氏度高温等离子体运行；2021年5月成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行；2021年末实现1056秒的长脉冲高参数等离子体运行―这是目前世界上托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间。三大科学目标已经分别独立完成。这一系列成就表明，我国磁约束核聚变研究在稳态运行的物理和工程方面走在国际前列。EAST的成功建设和运行被认为“是世界聚变工程的非凡业绩，是世界聚变能开发的杰出成就和重要里程碑”。

稳态强磁场实验装置

强磁场是探索前沿科学的一种极端实验条件，在发现新现象、催生新技术方面具有不可替代的作用。世界科技强国一直都非常重视强磁场实验室的建设，但在过去很长一段时间里，我国在强磁场领域几乎一片空白，这成为制约我国科技进步的一块短板。

稳态强磁场实验装置是国家发展改革委“十一五”期间立项的国家重大科技基础设施，于2017年9月27日在合肥通过国家验收。该装置是世界上第二台达到这一级别的装置，它包括10台强磁场磁体装置和6大类实验测量系统以及极低温、超高压实验系统，多项技术和性能达到国际领先水平，实现了我国稳态强磁场极端条件的重大突破。