樊巍 曹思琦

像太陽那樣利用核聚變獲得源源不斷的清潔能源供應，是人類長久以來的夢想。中國在利用受控核聚變去“種太陽”方面已經走在世界前列。2020年12出,由中核集團核工業(yè)西南物理研究睨聚變科學所研制的新一代“人造太陽”——中國環(huán)流器二號2裝置（HL-2M）實現(xiàn)首次放電。承擔這一高精尖科學項目的76人隊伍中，有57人為35周歲以下的青年人。今年五四青年節(jié)，這支勇攀科技高峰的隊伍榮獲第26屆“中國青年五四獎章集體”?！董h(huán)球時報》記者近日專訪了中國“種太陽”團隊，聽他們講述如何在國外的技術封鎖下，實現(xiàn)中國“聚變能源夢”的故事。

核心部件都是中國自主設計制造

中核集團核工業(yè)西南物理研究院聚變科學所副所長鐘武律接受《環(huán)球時報》記者專訪時表示，“人造太陽以其資源豐富、環(huán)境友好和固有安全性等優(yōu)勢將成為人類未來的理想能源，也是能最終解決人類社會能源與環(huán)境問題的有效途徑，對我國經濟社會發(fā)展、工業(yè)建設具有重要戰(zhàn)略意義?！?/p>

但相較于核裂變原理在核電站中的成熟應用，人類想要“駕馭”熱核聚變反應，卻面臨著諸多難題與挑戰(zhàn)。

鐘武律介紹稱，核聚變發(fā)生的條件非常苛刻，這個過程首先需要在極度高溫的條件中進行，“原子核必須具備足夠高的動能，如溫度達到上億度，才能克服原子核間的庫倫排斥力，相互靠得足夠近，以便讓短程核間吸引力發(fā)揮主要作用”。此外還需要創(chuàng)造等離子體高密度的條件，“笊氤原子核的密度足夠高，才人可以提高原子核之間碰撞而發(fā)生核聚變反應的概率”。而想要實現(xiàn)可控核聚變還需要維持一個較長的能量約束時間，“將高溫高密度的核反應條件維持足夠長的時'間，才能使核聚變反應得以持續(xù)進行”。

在鐘武律看來，雖然核聚變的原理說起來簡單，但開發(fā)核聚變能卻是對人類的科學與技術極限的挑戰(zhàn)，因為這要求在人工控制條件下，等離子體的離子溫度、密度與能量約束時間“三乘積”必須達到一定值。在科學上，將維持核聚變反應堆中能量平衡的這個特殊條件被稱為“勞森判據(jù)”?！爸挥泻司圩兎磻尫懦鲎銐蚨嗟哪芰?，才可維持核聚變反應堆的運轉并有可觀的能量輸出，使聚變反應持續(xù)進行?！?/p>

根據(jù)中國核能發(fā)展“熱堆-快堆-聚變堆”三步走戰(zhàn)略，中國的目標是自主研發(fā)核聚變能反應堆。其中，新一代“人造太陽”是我國開發(fā)核聚變能的重要舉措，它標志著我國自主掌握了大型先進托卡馬克裝置的設計、技術、建造、運行技術，將為下一步我國自主設計、建造聚變堆奠定堅實基礎。

鐘武律介紹稱，新一代“人造太陽”是我國目前規(guī)模最大、參數(shù)能力最高的磁約束核聚實驗研究裝置，它采用先進的結構與控制方式，等離子體體積達到國內現(xiàn)有裝置2倍以上，等離了體電流能力提高到2.5兆安倍以上，等離子體離子的溫度可達到1.51億，能實現(xiàn)高密度、高比壓、高自舉電流運行。該裝置同時也是日前國際上首個子體電流下實現(xiàn)多種先進偏濾器位形能力的核聚變先進研究平臺?！把b置的核心部件都是中國自主設計制造，它是實現(xiàn)我國核聚變能開發(fā)事業(yè)跨越式發(fā)展的重要依托裝置,也是我國消化吸收世界最大國際合作項目之一——國際熱核聚變實驗堆(ITER)技術不可或缺的重要平臺?！薄?/p>

突破技術封鎖，提升中國制造

據(jù)《環(huán)球時報》記者了解，新一代“人造太陽”由真空室、線圈系統(tǒng)、發(fā)電機組和支撐結構等核心部件組成。在這個中國“人造太陽”背后，有著一連串打破國外技術封鎖、填補國內空白的勵志故事。

以真空室為例，該裝置為“人造太陽”放電實驗提供超真空環(huán)境，用來盛裝上億度高溫等離子體，比宇宙空間環(huán)境的真空度還要低好幾個數(shù)量級。設計研發(fā)初期，“種太陽”團隊走訪了10余家大型制造企業(yè)，均因該設備的設計精度高、制造難度大、薄壁件焊接變形控制難、國內無相關經驗等原因被告知無法加工。團隊將科學設計參數(shù)細化為一張張可實現(xiàn)的工程圖紙，以共同研發(fā)和手把手教學的方式指導廠家加工。經過6年艱難探索，團隊制造出我國首臺D形截面特材雙層雙曲率薄壁件全焊接環(huán)狀超高真空容器，相關工藝和技術指標達到國際領先水平。

線圈系統(tǒng)為“人造太陽”裝置放電實驗提供約地球磁場5萬倍的強磁場，用以精確和穩(wěn)定地控制上億度高溫等離子體。按照最初的設計方案，線圈制造原采用“利舊改造”的方案。隨著建設的深入和國際核聚變研究的快速發(fā)展，研發(fā)團隊發(fā)現(xiàn)，如果采用“全新研制”，在設計參數(shù)上能確保達到國際先進水平，甚至實現(xiàn)部分領跑，但研制風險極高、創(chuàng)新可能失敗。面對兩難選擇，團隊以大量的科學計算和分析為依據(jù)，選擇了更具挑戰(zhàn)的“全新研制”。他們首創(chuàng)了國內最大運行電流強磁場D形比特板式可拆分環(huán)向場線圈，突破國內大截面外方內圓異形無氧銅管原有產能極限，獨創(chuàng)性地掌握了國內大尺寸異形高強度銘錯銅材制造技術，多項工藝領先國外一流裝置。

發(fā)電機組是為“人造太陽”提供運行動力的巨型“充電寶”，單次釋能可達1300兆焦，其功率與秦山一期核電站相當。研制團隊攻克了超大功率滑差調節(jié)、大型立式六相脈沖發(fā)電機電氣制動等技術，研制出國內首臺完全自主知識產權的大型立軸脈沖發(fā)電機組，其發(fā)電量可負擔一座百萬級人口城市的基本用電量，部分指標同樣領跑國際水平。

鐘武律介紹稱，為確保裝置的性能滿足在堆芯級等離子體參數(shù)條件下開展物理實驗研究的需要，“人造太陽”的工程技術難度及工藝復雜性大幅增加，不斷挑戰(zhàn)著國內相關工程技術水平極限。“美國曾以核心技術為由禁售建設人造太陽所需的高強度膨脹螺栓。面對這個必須解決的'卡脖子難題，我們從浩瀚的文獻資料中找突破口，經過數(shù)百種材料比對和上千次的試制，終于攻克了關鍵技術，打破了國外封鎖，制造出國內無生產先例的大尺寸高強度膨脹螺栓，將生產成本降低近90%,極大節(jié)約了科研經費?！?/p>

也正是通過這種高強度的技術攻關，“人造太陽”研發(fā)團隊掌握多項核心技術，通過與國有大型企業(yè)合力攻關，極大提升了企業(yè)復雜產品的研發(fā)能力和裝備制造水平，在推進技術創(chuàng)新的同時，也帶動了產業(yè)技術升級。▲

深化國際合作，貢獻中國力量

2006年，中國、歐盟、美國、俄羅斯、日本、韓國和印度共同簽署了國際熱核聚變實驗堆（ITER）項目啟動協(xié)定，該項目是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠的國際大科學工程之一，同時也是中國以平等身份參加的最大國際科技合作項目。

據(jù)鐘武律介紹，該項目同時也是“人造太陽”的研發(fā)團隊與日、俄、歐盟等30多個世界主要核聚變研究機構及國際組織合作項目中規(guī)模最大的一個項目。“中國以'平等伙伴身份加入ITER計劃，貢獻比例約占9%,其中70%以上以實物貢獻方式，即研發(fā)制造ITER裝置部件，中方按時、高標準、高質量交付了有關任務，采購包完成質量與進度均走在ITER七方前列，有力推動了項目實施，得到參與各方充分肯定?！?/p>

鐘武律認為,中國參與ITER這樣的國際大科學計劃，無疑也提升了中國牽頭國際大科學工程的能力。通過不斷深化國際合作交流，中國也在汲取國際可控核聚變實驗裝置設計、建造、運行已有的成功經驗，補強短板?！皡⒓覫TER計劃是我國磁約束核聚變能研發(fā)計劃中關鍵一步。立足我國磁灼束核聚變研究現(xiàn)狀，在中國建造茉某聚變堆，當下還面臨一些關鍵科學與技術挑戰(zhàn)，下一步我國核聚變的發(fā)展應充分利用ITER的建設與運行，重點進行人才培養(yǎng)與技術儲備，加速開展ITER未涵蓋的未來聚變堆關鍵技術攻關，有效解決自主設計建造聚變堆面臨的短板與卡脖子問題，形成良性高效的核聚變產業(yè)發(fā)展格局?！?/p>

鐘武律同時表示，參與ITER的十多年間，中國的聚變研究也已經從技術“跟跑”“并跑”達到了部分“領跑”，新一代“人造太陽”作為消化、吸收ITER技術的重要平臺，十年間也培養(yǎng)鍛煉了一批具有參與大科學工程能力的高水平科技人才"“黨中央加快建設世界重要人才中心和創(chuàng)新高地，完善人才發(fā)展體制機制，加大對青年科研人員支持力度，讓各類人才潛心鉆研、盡展其能。這些舉措對過去十年中國科技創(chuàng)新發(fā)展的巨變起到了重要推動作用?！薄?/p>