我的核聚变研究生涯(11)

罗家融

11.1 万元熙的非圆截面托卡马克之梦
1966年，刚刚从北京大学研究生毕业的万元熙，时代的风浪就将他推到了完全意想不到的方向：1968年，一纸下放通知送到了他手上，他二话没说整理好简单的行李，远行数千里奔赴西南腹地的四川，进入当地的部队农场，开始了日复一日的劳动锻炼。结束了农场的劳动锻炼之后，万元熙又接到了新的分配通知，这一次他去了凉山州广播器材厂成为了一名工厂技术人员。身份的落差像一道横亘在眼前的山谷：昨天他还是一名深耕基础理论、距离正式科研只有一步之遥的准科研人员，今天他就变成了要泡在车间里，跟着工人师傅一起摸零件、跑生产线、解决生产加工实际问题的技术人员，课堂上学到的基础理论，一时半会儿根本找不到用武之地。

Fig.01 贫穷的大凉山

转机终于在1975年到来，经过多方协调，万元熙成功调入位于安徽的中国科学院安徽光学机械研究所受控站，这一次，他终于站在了正式科研岗位的门口，也就此正式踏入了后来让他奉献一生的磁约束核聚变研究领域。对于万元熙来说，磁约束核聚变完全是一个陌生的全新领域，一切都要从零开始。他没有丝毫畏难，从最基础的概念学起：不但一点点啃完了厚厚的托卡马克专著，还刻苦钻研等离子体的诊断技术——从仪器搭建到数据读取，每一个细节他都不放过，很快就从一个跨界的新人，成长为能独当一面的研究骨干。

Fig.02 安徽光学机械研究所

1983年，改革开放的春风给国内科学界带来了对外交流的新机会，万元熙也获得了赴美国德克萨斯聚变中心访学的宝贵机会。在国外他一头扎进实验里，每天泡在装置边观察记录，越研究心里越清晰：当时主流的圆形截面托卡马克，始终难以突破等离子体约束性能的瓶颈，而只有发展非圆截面托卡马克，才有可能跳出这个限制。

Fig.03 美国德克萨斯大学奥斯汀分校

1986年，完成进修的万元熙带着一整箱攒下的研究笔记与一个滚烫的梦想——建设属于中国自己的非圆截面托卡马克装置，踏上了归国的航程，回到了等离子体物理研究所。
那时等离子体物理研究所，只有科研人员自主攒出来的两个圆形截面托卡马克HT-6B和HT-6M，不仅装置规模小，更没有任何设计非圆截面托卡马克的经验、技术积累甚至可用的参考资料，在整个研究所里，见过非圆截面托卡马克实物的人都屈指可数。
但从零开始从来不是退缩的理由，万元熙和一群和他一样愿意把青春砸进这个梦想里的科研人，正式组建了HTU项目组。没有经验，就把能找到的国外零散文献全部复印过来，对着外文逐字逐句翻译啃读；没有现成的设计方法，所有人就从等离子体物理的基础知识一点点重新摸索，从非圆截面的平衡位形理论开始算，就算是最基础的参数，也要反复推导验证十几遍才敢落笔，硬是在一片空白里，踏出了属于中国非圆截面托卡马克研究的第一步。

那还是在一切都还处在起步筹备阶段的时候——说起来真是“八字还没一撇”(1989年)， 但万元熙却已经提前把往后每一步可能遇到的坎都盘算了一遍。他当时就琢磨着，我们所的附属工厂，这么多年做的都是常规工业构件，大多数焊工只会做普通的电焊和气焊，偏偏缺技术过硬的好氩弧焊师傅。可氩弧焊这门手艺，偏偏又是我们造磁约束核聚变真空室躲不开、绕不过的核心技术——真空室要承受极端的真空环境，还要应对未来等离子体运行时的高温辐照，焊缝容不得半点儿气孔、裂纹，每一条焊缝的精度都得卡到毫米级，普通焊工根本拿不下来，要是这一步掉了链子，后边整个项目都得卡壳。他把这层利害想得明明白白，他愣是跑了大半个中国，打听遍了业内的行家里手，最后专门从外地把那位业内人人都竖大拇指的姚师傅给请了过来。我们所里上上下下，没人不把姚师傅叫做“焊接大王”，圈里人都知道，他是全国数得上的一流氩弧焊大师傅，巧的是姚师傅的儿子从小跟着父亲摸焊枪、看下料，早早就得了父亲的真传，子承父业，氩弧焊的水平一点不比父亲差，也是业内叫得响的好手。后来所里扩编，姚师傅跟我们所提了一句，所里二话不说就把他的儿子-姚伟民也招了进来。

往后几十年里，我们所先后上马了HT-7和HT-7U超导托卡马克装置，后来又推进的CRAFT聚变堆主机关键系统综合研究设施的真空室焊接，从头到尾都是这父子俩盯的。大到数十米的真空室主壳体拼接，小到内部复杂抽气管道的拐角焊接，每一道焊缝他们都亲手探伤、亲手修磨，把每一个可能出问题的细节都抠得严严实实，结结实实地给我们整个装置的核心质量把好了关。由于姚伟民的实打实的付出获得了单位与政府主管部门的高度认可，他在2000年被授予“安徽省劳动模范”的光荣称号，又在2009年成功获评“安徽省十大能工巧匠”，这份接连而来的荣誉，既是对他个人多年坚守与突出贡献的肯定，也成为了激励广大一线技术工人扎根岗位、建功立业的榜样标杆。

到了1992年，研究所迎来了一项更为紧迫的核心任务——将俄罗斯的T-7装置改建为中国第一台超导托卡马克装置HT-7。这项改建工程时间紧、难度大，全所科研人员几乎都投入到了这场技术攻坚战中，所里的各项工作重心都向HT-7改建倾斜，哪怕在这样全所合力攻坚繁忙热潮里，关于下一代聚变装置的预研设计工作也从未停下过脚步。

Fig.04 HT-7超导托卡马克装置

原本万元熙团队规划的是一款非圆截面常规托卡马克装置(HTU)，而在HT-7改建过程中，科研团队积累了大量超导磁体技术和大型超导装置建造的宝贵经验，大家逐渐意识到，依托已经成熟的HT-7超导技术路线，直接打造一款全超导非圆截面托卡马克，不仅能跳过常规托卡马克的技术局限，还能让中国聚变研究直接站到国际第一梯队的赛道上。
基于这个判断，万元熙果断调整了设计方案：把原设计的非圆截面常规托卡马克HTU，正式更改为非圆截面超导托卡马克HT-7U，名字里的“7”，既承接了HT-7的技术积累，也代表着中国聚变研究一步步拾级而上的扎实脚印。
经过多年不分昼夜的打磨，从总体物理设计到关键技术可行性论证，从工程建造方案到预算评估，每一个环节都经过了反复论证校验，终于在1995年，完整详实的HT-7U大科学工程立项申请报告正式编制完成。报告上报后，很快得到了国家相关部门的高度重视，多位国内国际专家参与评审后，都对这个方案给予了高度评价。1997年，国务院科技政策领导小组正式批准HT-7U大科学工程立项建设。
作为项目的主要负责人，万元熙第一时间就想到了要在所内发动经验丰富的老同志参与到项目攻坚中来。这些老同志大多在磁约束核聚变研究领域深耕多年，不仅有着系统深厚的学术积累，更经历过HT-6B、HT-6M、HT-7等多个装置研发建设的打磨，见过项目推进中的各类复杂状况，积累了旁人难以替代的实践阅历，正是HT-7U项目起步阶段最宝贵的核心财富。在他的协调带动下，所里全体科研人员拧成一股绳，在四号楼六楼熬过了无数个灯火通明的夜晚，终于高质量地完成了HT-7U项目可行性研究报告的编制工作，把建造中国人自己的大型超导托卡马克这个酝酿多年的目标，清晰完整地落到了正式的项目方案里。
1998年12月中国科学院正式发文批复，同意HT-7U超导托卡马克核聚变实验重大科学工程项目的可行性研究报告。这一纸批复，不仅意味万元熙的非圆截面托卡马克的梦想将要实现，更标志着中国核聚变研究向着建设长脉冲稳态运行聚变实验装置的目标，迈出了历史性的一步。
11.2 超导线材的风波
项目刚刚梳理完整体方案，正要迈出关键的第一步，就直接被人硬生生卡了脖子。按照最初制定的国际合作计划，美国能源部原本早就和我们达成约定：他们会向我们提供原本为已经下马的TPX装置准备好的现成铌钛超导线，这正是我们绕制超导磁体的核心材料；作为交换，我们会发挥自身加工制造的优势，为美国的DIII-D实验装置配套加工生产一批定制化的特殊硬件设备。等到我们正式发函询问具体供货时间的时候，对方却轻飘飘扔过来一句冷冰冰的答复：因为美国国会不批准这项合作，所以没办法按原约定把超导线交付给我们了。明眼人都看得出来，这根本就是对方故意设下的绊子——他们从骨子里认定，我们短时间内根本造不出符合参数要求的国产高性能超导线，也找不到其他能够稳定供货的可靠渠道，以为只要掐断了这份核心材料的供应，就能直接把中国自主建造超导托卡马克的计划，活活掐死在摇篮里，让我们永远只能跟在别人后面做边角工作。
可他们万万没有想到，做事向来稳扎稳打、谋定而后动的万总，早早就为这个项目留好了后手，从立项之初就根本没把所有希望都绑在美国这一条合作船上，从来没有放弃过寻找替代方案。眼看美方公然毁约断供，万总没有丝毫慌乱，第一时间就牵头联系了俄罗斯方面，马不停蹄地协调从俄罗斯采购项目所需要的超导线材。功夫不负有心人，俄罗斯最终同意出口的这批超导线，质量丝毫不逊于美国原定供应的产品，各项性能指标完全满足我们装置的运行要求，硬生生把即将卡壳的项目从悬崖边拉了回来，让整个计划得以继续推进。但这件事，也深深刺激了中国科研人员：核心技术捏在别人手里，就算方案再好、进度再快，人家说卡脖子就卡脖子，根本没有半点还手的余地。从那之后，在国家相关部门的大力支持下，李建刚更是挖空心思、辗转协调，想尽一切办法推动国内自主超导线材的研发和量产，就是要啃下这块硬骨头，把核心技术牢牢握在自己手里。就这样，在这样打破封锁、自主攻关的时代背景下，西部超导公司接过了这份沉甸甸的任务，组织团队日夜攻关，一步步攻克了成分配比、加工工艺、质量稳定性等一个又一个难题，最终成功自主研发出了完全属于我们自己、拥有完整自主知识产权的高性能超导线材，彻底打破了国外的技术封锁，为后续中国核聚变装置的自主发展打下了最坚实的材料基础。

Fig.05 西部超导材料科技股份有限公司

图6是HT-7U纵场线圈，其核心的超导线材，是我们求爹爹告奶奶从俄罗斯进口的，它的最大通过电流是14千安。

Fig.06 HT-7U的纵场线圈

图7则是2026年通过验收的CRAFT纵场线圈，设备足足582吨重，它的最大通过电流是60千安，是目前全世界尺寸最大的聚变堆磁体，它从里面的超导线材，到整体加工组装，完完全全是咱们国内自己造出来的。

Fig.07 CRAFT纵场线圈

11.3 HT-7U等离子体控制系统的组建
尽管我们此前已经成功完成了HT-7托卡马克装置控制系统的整体组建，并且在长期的实践运行中积累了较为扎实的工程经验，但面对全新的HT-7U项目时，所有人都清楚地认识到，这套新装置的控制系统整体复杂程度，要远远超出我们已经打磨成熟的HT-7系统。其中差距最为悬殊的，就是核心的等离子体控制部分。HT-7装置的等离子体控制系统，本身是架构在相对简单的解耦设计之上，控制目标、响应要求和参数维度都比较有限，但HT-7U全超导托卡马克，需要同时对位形态控制、位置控制、多变量输入多变量输出的耦合干扰等一系列全新需求，这套完全不同以往的复杂等离子体控制系统，对当时的我们来说不仅没有成熟技术可以复用，甚至连完整的技术认知框架都还没有建立，完全是一片空白的全新领域。就在我们为这一核心技术瓶颈一筹莫展的时候，正在推进中的中美磁约束核聚变合作领域提供了破局的可能性。中美合作项目的双方牵头人，针对我们面临的技术困境开展了多轮细致深入的磋商，反复权衡技术可行性、双方需求和合作边界之后，最终决定对原有合作项目的方向做出调整：原本规划的合作内容被重新梳理，改成由我方发挥国内精密加工和工程制造的优势，为美国通用原子能公司的DIII-D托卡马克实验装置，加工生产一套中性束注入系统的电源；而作为交换，美方则会向我们开放提供一套完整成熟的等离子体控制系统（即PCS系统），同时还会派出专业技术团队，帮助我们破解HT-7U中性束注入系统设计过程中遇到的多个核心难题。

Fig.08 美国通用原子能公司

为了能沉下心来彻底消化吸收这套PCS系统的核心逻辑，理清关键问题，我最终决定暂时停下手头HT-7项目的运行工作，把HT-7运行相关的所有任务，全都交到了龚先祖肩上。这个决定当时确实给龚先祖带来了相当大的压力：不仅任务体量比之前重了很多，不少突发问题也需要他独立牵头处理。但他从来没有抱怨过一句，反而沉下心扑在项目上，一步步理顺了所有运行流程，顶住压力出色完成了全部任务。这不仅给整个项目的推进吃下了一颗定心丸，也给我留出了足够空间攻克PCS系统的核心难题，而龚先祖自己，也在这一路跌撞前行的过程里，真真切切地长出了骨血、攒下了底气，踏踏实实地获得了成长。
为了能敲定等离子体控制系统（PCS）引入后，捋清各项合作的具体细节，我和负责中性束注入系统设计的胡纯栋一起，专程前往美国通用原子能公司，开展了长达整整半年的技术对接与任务交接工作。
Fig.09 美国通用原子能公司DIII-D托卡马克实验装置前留个影 那半年时间里，我们几乎全天泡在对接实验室，所有精力都扑在了项目梳理上，把合作的权责边界、统一技术标准、突发问题的响应机制都掰扯得明明白白，彻底消除了中美技术语境不同带来的理解偏差。
这次PCS系统的引入，直接帮我们绕过了从零开始开发等离子体控制系统的陡峭技术爬坡，少走了至少三到五年的研发弯路，也为后续EAST装置的快速建设和稳态实验运行打下了最关键的控制基础。与此同时，胡纯栋也借着这次面对面沟通的机会，和对方团队就中性束注入系统设计的核心关键问题——包括束流引出参数、注入功率的反馈调控逻辑、复杂工况下的系统稳定性设计等，展开了多轮深入细致的讨论，把之前隔着邮件沟通积累的十多个疑问逐一消解答疑。
在我们完成对接准备回国时，所有交接内容已经双方确认完毕。我们回国后不到一个月，对方就如约将整套PCS系统，包括完整源码、调试工具包和全部技术授权，发到了国内项目组；与此同时，我们也按照之前约定的合作协议，把国内团队为对方定制开发的中性束注入高压电源，通过国际物流发往了美国的合作实验室。

Fig.10 EAST PCS系统

Fig.11 双方工作人员在PCS系统前留个影

这次合作方向从完全自主开发转向“技术引进+优势互补”的调整，不仅让我们拿到了急需的成熟的PCS控制系统，同时有效地加快了国内中性束注入系统的组建速度，也帮对方解决了他们自身装置升级中遇到的难题，真正实现了各取所需、互利双赢。 文中内容均根据本人当时的亲身经历与事实回忆整理而成，由于年代距今已经过二十多年，许多细节随着时间的冲刷慢慢模糊，加上本人年事已高，记忆难免出现部分偏差，还请各位读者谅解。2026年7月5日