——记东华理工大学张国书教授最新科研成果
众所周知，地球分为南北极，就像一个巨大磁铁正负两极，形成一股稳定强大的磁场，磁场是指传递实物间磁力作用的场，是一种看不见、摸不着的特殊物质，磁场不是由原子或分子组成的，一直向太空绵延58000公里，时刻保护着地球生命的繁衍生息。
随着科技水平的发展，人类的生产生活在近半个世纪发生了跨越式的变化，当今社会一切物质生活都建立在能源的基础上。然而，随着地球上化石能源逐年减少和开采难度愈来愈大，人类未来可持续发展的唯一出路就是寻找新型能源。可控核聚变——以原料丰富和几乎无污染的优势成为最佳之选。但是可控核聚变的条件极为苛刻，需要温度高达上亿摄氏度，在上亿度高温状态下，物质呈现等离子态，而磁场，就是将能量约束在一处的“容器”。
东华理工大学张国书教授，多年来从事聚变堆物理及核工程设计研究，早在1993年，就独立开发完成了国内第一个聚变-裂变混合堆共生系统程序，并成功应用于混合堆概念设计的堆芯等离子体、托卡马克磁体系统、包层/屏蔽系统、氚燃料循环系统、功率循环系统及裂变燃料循环系统参数及经济性优化。
近年来，张国书主要致力于悬浮装置设计研究，2019年，针对我国基础科研发展战略需求，他在国内首次提出发展“天环一号”悬浮偶极场磁约束等离子体物理大科学实验装置计划，并获江西省重点研发计划项目经费支持，负责研发我国第一个悬浮偶极场聚变实验装置——“天环一号”(CAT-1 China Astro-Torus No.1)偶极场聚变实验大科学装置项目。
据张国书介绍，偶极场磁约束聚变等离子体研究源自宇宙星球磁层等离子体物理研究，是一种与托卡马克、仿星器等理论基础及磁约束原理有重大区别的新途径。偶极场聚变最大优点是：结构简单、等离子体不破裂、极高比压(大于100%)等，这些特性表明偶极场聚变可望用于建造稳态运行、无氚自持和14 MeV中子等先进聚变堆。目前世界上处于早期发展阶段，美国MIT和日本东京大学分别建造的LDX和RT-1两个偶极场聚变物理装置，取得的新实验进展，取得了内箍缩、稳定压强峰值分布、比压大于1、电子约束时间300秒及哨声波等突破性实验观测结果。
张国书带领项目团队，通过消化吸收国外先进思想和经验，结合国内实际情况，开展自主物理和数值方程建模、程序研制、分析模拟及关键技术研制，同时，团队面向市场经济，主动将装置新技术开发为市场产品，取得显著经济效益，现已取得了多项创新性的科研成果。
首先，他们提出开展中国天环一号(CAT-1)装置设计及关键技术可行性研究，确定了装置定位和总体参数目标，开展并完成装置主机设计及关键技术可行性研究，性能参数领先国际上同类装置，实现了装置从无到有、成体系的跨越发展，填补了国内空白;
其次，他们自主开发了偶极场磁约束装置物理模拟与设计的三个核心基础物理软件，成功用于CAT-1装置等离子体平衡磁位形、圆柱硬芯Z箍缩极限磁位形下MHD等离子体准线性输运以及不同加热条件下装置等离子体能量约束时间、比压和峰值温度与装置物理和工程参数的关键定标关系的分析计算，解决了高比压、高压缩比、高温度密度稳态运行等装置性能目标、关键物理模拟及设计问题;
再次、他们提出了采用水平和倾斜方向自然稳定性，垂直方向反馈控制的稳定策略，解决了CAT-1磁体悬浮平衡稳定控制技术难题，通过控制参数和电源参数对控制过程的影响进行模拟分析，获得装置永磁环、托举线圈、电源和控制系统参数及结构设计优化方案，确保大于5小时物理实验目标要求;
最后，张国书团队与北京大学合作，联合成功研制基于永磁环偶极场等离子体物理装置，并初步开展了偶极场边缘等离子体物理实验，取得突破性成果;并与上海辰昊超导科技有限公司合作，研究了CAT-1悬浮装置超导磁体的设计及研制流程，解决了悬浮超导磁体研制相关干湿式相结合的超导线圈精密绕制、多形式密绕超导线圈浸渍以及高运行电流超导接头焊接等关键技术，并以此开发产业化技术产品，产生了显著的社会和经济效益。
张国书项目团队研发CAT-1悬浮偶极场大科学磁约束装置，总体设计参数目标为：等离子体密度达到5×1019 m-3，等离子体温度达到500 eV以上，装置真空室半径达4m，超导环外表面磁场>5T，单项指标比国际上日本RT-1和美国LDX同类装置提高50-100%，处世界领先。
目前，项目团队在偶极场聚变研究领域开展了卓有成效的开拓性工作，完成了装置初步设计与技术可行性分析与论证，取得了一批突破性进展和重大发明创新成果。开展的天环一号(CAT-1)装置设计与关键技术填补了多项国内外技术空白，形成了我国CAT-1大科学装置的自主研发能力，为装置建造奠定了坚实基础。CAT-1装置系统控制及超导磁体等技术研发过程产生的发明专利成果，广泛用于军工、医疗、能源、交通、通信等领域产业化技术产品开发。未来三年将产生直接经济效益超过10亿元，应用前景广阔、社会效益和环境效益巨大。
2022年9月8日，我国第三届发明创业奖成果奖评审结果公示，张国书负责的“天环一号”悬浮偶极场磁约束等离子体装置关键技术和应用获得了一等奖。由于这项颠覆性的世界前沿技术成果，他于2022年入选了欧洲自然科学院外籍院士。
为了探讨悬浮偶极场磁约束装置的概念、意义、前沿物理问题，厘清装置关键技术和应用场景，针对实现我国双碳战略、发展先进核能技术及开发空间资源，深入分析我国基础科学与科技创新的现状与不足，明确未来方向、凝练科学问题、提出解决方案，达成共识，由东华理工大学发起，张国书作为筹备组长，于2023年5月15日至17日在北京香山饭店成功召开以“悬浮偶极场磁约束科学前沿问题和关键技术”为主题的第747次香山科学会议。会议邀请浙江大学陈骝教授、中国科学院等离子体物理研究所万元熙研究员、东华理工大学张国书教授、哈尔滨工业大学王晓钢教授、东华理工大学汤彬教授、核工业西南物理研究院许敏研究员共同担任执行主席。会议围绕悬浮偶极场磁约束等离子体装置的前沿物理和关键技术问题，分“悬浮偶极场磁约束装置理论基础、构想及发展现状”和“空间等离子体环境模拟装置发展现状”2个中心议题，“悬浮偶极场在等离子体基础研究领域的应用及展望”、“悬浮偶极场磁约束聚变研究及展望”、“天环一号(CAT-1)物理装置关键技术研究进展及展望”3个分会场，以及11个专题分别进行主题报告、评述报告和专题报告。
本场会议特邀了43名来自高等院校、科研院所、管理部门的专家学者应邀参加了讨论会，12位来自中国科学院等离子体物理研究所、中国工程物理研究院、核工业西南物理研究院、哈尔滨工业大学、北京大学、清华大学、浙江大学、中国科学技术大学、中山大学、北京航空航天大学、东华理工大学及西部超导材料科技股份有限公司等跨领域学者，围绕偶极场磁约束聚变理论、装置关键技术、实验、聚变堆材料辐照及偏滤器第一壁热负荷、空间环境地面模拟装置工程与技术，反物质磁约束基础科学问题等，进行了立体式、多学科、分层次交流和讨论，通过深入讨论、广泛交流，达成了诸多共识。
展望未来，想要实现“碳达峰”和“碳中和”双碳战略，大力开发包括聚变能在内的核能技术是实现低碳目标的重大措施。虽然我国悬浮偶极场磁约束平台研究起步相比美、日滞后20年，但是“雄关漫道真如铁，而今迈步从头越”，相信在张国书和他的团队，以及众多科研专家共同努力下，必将实现可控核聚变，为未来提供新型能源，推动我国前沿科学的创新发展。
