科技“利器”助力合肥加速发展

○国家同步辐射实验室奠基典礼（资料图片）

○国家同步辐射实验室外景

○“人造小太阳”实验装置

合肥是“国家重要的科教中心”，全国四大科教城市之一。而新中国第一个国家实验室——合肥国家同步辐射实验室，世界首个“人造小太阳”实验装置，都是合肥这一“名片”的重要标志。

新中国第一个国家实验室这样建成

在中国科大西区，有一个国家同步辐射实验室，它是1989年正式建成并投入使用的。这是新中国建成的第一个国家实验室。

提到国家同步辐射实验室，对于大多数市民来说，第一感觉就是有点“懵圈”——同步辐射到底是个啥呢？其实，同步辐射是一种强度大、亮度高、频谱连续、方向性及偏振性好、有脉冲时间结构和洁净真空环境的优异的新型光源，可广泛应用于物理、化学、材料科学、生命科学、信息科学、力学、地学、医学、药学、农学、环境保护、计量科学、光刻和超微细加工等众多基础研究和应用研究领域。那么，这个实验室为什么建在合肥呢？

据相关档案记载，早在中国科大1970年从北京南迁到合肥后，便提出了要建设同步辐射实验室的构想，目的是为国家在基础科学领域的研究提供平台。随着1978年全国科学技术大会的召开，建设同步辐射实验室也被正式提上了日程，这年春，中科院决定成立以中国科大为主的同步辐射加速器筹备组；1983年4月8日，当时的国家计委批准了这一项目，新中国第一个国家实验室由此正式步入建设征程。

1989年，合肥国家同步辐射实验室正式建成并投入使用。这是新中国第一个国家实验室，更让人自豪的是，实验室的总投资不到国外同类装置的十分之一，却达到了国际上同类加速器的先进水平。实验室的建成，大大促进了中国的科研步伐。因此，合肥同步辐射加速器及光束线实验站项目获得1992年中科院科技进步奖特等奖和1995年国家科技进步奖一等奖。

也许有不少人要问，国家同步辐射实验室到底有什么大作用呢？“同步辐射就是探索微观世界的‘眼睛’，每引出一束同步辐射光，就可照亮一个学科领域。”科学家这样形象地比喻道。据一些公开的资料显示，合肥国家同步辐射实验室现建有15条光束线和相应的实验站。而这些不仅解决了先进功能材料、能源与环境、生命科学等领域一系列重要科学问题，并在航空发动机燃烧、煤化工能源转化、先进薄膜材料、大光栅技术和标准探测器定标与传递等领域做出了诸多开创性的研究工作。

世界首个“人造小太阳”的奥秘

除了国家同步辐射实验室外，在合肥还有一个被称作“人造小太阳”的国之重器，它的学名叫全超导托卡马克核聚变实验装置。这是世界上第一个非圆截面全超导托卡马克核聚变实验装置，是由中国科学院合肥物质科学研究院等离子体所在2006年实验成功的。

这个“人造小太阳”实验装置有什么作用呢？众所周知，随着世界人口的增长，地球上能源生产量和需求量的缺口将越来越大。因此，我们必须要寻找到替代能源，开发利用核聚变能，为人类提供可持续发展的清洁新能源，就是其中之一。核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。而要研究聚变能，需要创造一些超高温、超低温、超强磁场等科学实验条件，“人造小太阳”正是创造这些科学实验所需的极端条件。

据档案记载，我国是从1998年开始正式启动“人造小太阳”研究计划的。“它其实就是一个环形磁容器，像一个‘磁笼’造成一个磁场，使所有的带电离子只能沿着磁力线前进，而不会逃离。”研究人员这样形象地说道，“人造小太阳”实验装置同时具有上亿温度的“超高温”、零下269度的“超低温”、“超大电流”、“超强磁场”、“超高真空”等极限条件，它的成功建设和运行是我国核聚变研究的里程碑式突破。

研究人员还指出，这个由我国自行设计、自行研制的“人造小太阳”实验装置，是世界上第一个同时具有全超导磁体和主动冷却结构的托卡马克。它的运行，使我国迈入磁约束核聚变领域先进国家行列。稳态运行的核聚变堆产生能量的方式和太阳相同，都是在超高温条件下氢（或氢的同位素）的原子核聚变产生巨大能量，因此被称为“人造小太阳”。

创造了一个个“里程碑”

合肥国家同步辐射实验室建成后，追求“光源梦”的脚步一直没有停息。经过一代代科学家的努力，“合肥光源”性能已经发挥到了极致，特别是面向我国的重大战略需求，在航空发动机燃烧、煤化工能源转化、先进薄膜材料、大光栅技术和标准探测器定标与传递等领域，做出了开创性的研究工作。据了解，目前已经投入使用的“上海光源”是第三代中能区光源，正在建设的“北京光源”属于第四代高能区光源，而瞄准第四代低能区光源的合肥先进光源启动建设，将实现我国先进同步辐射光源的全能区覆盖。

“四代光源是科学探索的‘国之重器’，它在亮度和相干性方面有了巨大提升，把X射线对各学科研究的支撑能力提升到一个前所未有的高度，可以更清楚地看清微观世界。”据研究人员介绍，合肥先进光源可以利用纳米级的高分辨，直接观测复杂的不均匀体系中的电子、自旋和化学状态和轻元素体系的结构，有望揭开高温超导电性的秘密，帮助人们研发更安全、更高容量的动力电池和更高性能的催化剂，极大提高航空轮胎橡胶和高强度碳纤维等轻元素复合材料的研发效率，甚至帮助揭开困扰人们多年阿尔茨海默病的病理。

据了解，作为合肥综合性国家科学中心建设的核心层，国家同步辐射实验室正在建设我国第一台用户型红外自由电子激光装置，再加上最先进的低能区第四代光源的立项和建设，就能形成先进光源集群，推动多学科集聚、顶尖科学家集聚、一流创新群体集聚、高新产业研发集聚，助力国家科技战略布局。

同样，“人造小太阳”实验装置也先后创造多项托卡马克运行的世界纪录，已成为国际上稳态磁约束聚变研究的重要实验平台，为世界聚变研究作出了中国人应有的贡献。据研究人员介绍，近年来，“人造小太阳”物理实验与工程建设稳步推进，进展喜人。不仅在2017年7月实现了稳定的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，而且在2018年7月实现了高约束、高密度、高比压的完全非感应先进稳态运行模式和电子温度1亿度等离子体运行等多项重大成果，同时自主发展了68项关键技术，形成了多个重大创新点，如大型超导磁体、超高真空、偏滤器、超导导体生产等技术，具有广泛的应用前景。

最为重要的是，“人造小太阳”实验装置研发过程中形成的关键技术，跟老百姓未来生活也息息相关。比如，发展出离子束诱变技术，已应用于农业领域。科研人员创新地将离子束育种技术应用于农作物品种改良中，如通过离子辐照水稻，选育出一种“脆秆水稻”，这种水稻脆而不倒，易粉碎易降解，对于秸秆还田具有很好的效果。再比如，发展出的大型低温超导技术等，正在应用于癌症治疗装备的研发，会大大降低癌症病人肿瘤二次发作风险，并明显提高患者五年存活率。

因此，“人造小太阳”实验装置的成功运行受到国内外专家的高度赞誉，称这是世界聚变工程的非凡业绩，“中国创造了聚变历史”；是世界聚变能开发的杰出成就和重要里程碑。

□崔建军 程堂义 鲍雷

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