逐“日”追光

　　走近中國(guó)新一代“人造太陽(yáng)”HL-2M

　　行星發(fā)動(dòng)機(jī)、智能量子計(jì)算機(jī)、太空電梯……一段時(shí)間以來(lái)，電影《流浪地球2》中的“硬核科技”元素引發(fā)廣泛關(guān)注。你知道嗎？電影中的很多裝備在現(xiàn)實(shí)中都有原型。

　　“你們盡管想象，我們負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)�！弊罱�，社交媒體上，中核集團(tuán)一張引爆網(wǎng)絡(luò)的海報(bào)，展示的便是電影中的行星發(fā)動(dòng)機(jī)和現(xiàn)實(shí)中的中國(guó)新一代“人造太陽(yáng)”裝置(HL-2M)、中國(guó)環(huán)流器二號(hào)A裝置(HL-2A)。網(wǎng)友們不禁熱血沸騰，紛紛感嘆，“原來(lái)中國(guó)科幻的背后是中國(guó)制造”。

　　科幻照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。電影中行星發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)地球利用的是核聚變釋放的能量，而HL-2M、HL-2A正是我國(guó)探索受控核聚變的重要裝置，被稱(chēng)為“人造太陽(yáng)”。其中，HL-2M裝置是我國(guó)目前規(guī)模最大、參數(shù)最高的磁約束核聚變實(shí)驗(yàn)研究裝置。前不久，它入選了“2022年度央企十大國(guó)之重器”。

　　這些裝置為何被稱(chēng)為“人造太陽(yáng)”？我們?yōu)槭裁匆�造“太�?yáng)”？新一代“人造太陽(yáng)”實(shí)現(xiàn)了哪些技術(shù)突破和自主創(chuàng)新？記者近日采訪(fǎng)了中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院有關(guān)負(fù)責(zé)同志，讓我們一起跟隨“造太陽(yáng)”的人，探尋新一代“人造太陽(yáng)”的奧秘。

　　原料取用不盡、燃耗低能量大、產(chǎn)物清潔友好

　　受控核聚變，理想的“終極能源”

　　四川成都雙流西南航空港，坐落著核工業(yè)西南物理研究院。這是我國(guó)最早從事核聚變能源開(kāi)發(fā)的專(zhuān)業(yè)研究院。

　　研究院聚變科學(xué)所那座建了22年的老樓，便是新一代“人造太陽(yáng)”的“家”。

　　人類(lèi)真的可以造太陽(yáng)嗎？面對(duì)記者的疑問(wèn)，核工業(yè)西南物理研究院聚變科學(xué)所所長(zhǎng)鐘武律給出了答案：“人造太陽(yáng)”并不是真的造一個(gè)太陽(yáng)，而是建一個(gè)裝置，利用太陽(yáng)發(fā)光發(fā)熱的原理，持續(xù)可控地輸出能量。

　　“太陽(yáng)為什么能夠持續(xù)發(fā)光發(fā)熱？是因?yàn)樗鼤r(shí)刻都在發(fā)生著核聚變反應(yīng)�！辩娢渎筛嬖V記者，我們“造太陽(yáng)”的最終目的是通過(guò)核聚變來(lái)發(fā)電。

　　眾所周知，能源危機(jī)被認(rèn)為是人類(lèi)社會(huì)發(fā)展面臨的最大難題�？茖W(xué)家們把視線(xiàn)轉(zhuǎn)向核能，而核能主要有核裂變和核聚變兩種形式。

　　當(dāng)前，世界上商用的核電站利用的是核裂變能，即由較重的原子核(如鈾)通過(guò)核反應(yīng)過(guò)程分裂成兩個(gè)或兩個(gè)以上較輕的原子核，從中釋放出能量。然而，鈾礦的儲(chǔ)量有限，長(zhǎng)遠(yuǎn)看仍難以滿(mǎn)足人類(lèi)需求。

　　核聚變的過(guò)程正相反，是指由質(zhì)量較輕的原子核在超高溫條件下聚合成較重原子核，并釋放出巨大能量，且單位質(zhì)量下釋放的能量比裂變高得多。太陽(yáng)的光和熱，就來(lái)源于核聚變反應(yīng)釋放出的能量。

　　“核聚變能源的優(yōu)勢(shì)非常明顯。一是燃料在地球上的儲(chǔ)量極為豐富；二是不產(chǎn)生高放射性核廢料，環(huán)境友好；三是具有固有安全性等優(yōu)點(diǎn)�！辩娢渎蛇M(jìn)一步解釋道。

　　記者了解到，支撐核聚變反應(yīng)的主要原料可以從海水中提取。據(jù)測(cè)算，從一升海水中提取出的氘，經(jīng)完全聚變反應(yīng)后釋放的能量，足夠一輛汽車(chē)從北京開(kāi)到海南。按照地球上的海水資源計(jì)算，理論上用于聚變反應(yīng)釋放的能量足夠人類(lèi)使用上百億年，幾乎無(wú)窮無(wú)盡。

　　數(shù)據(jù)最具說(shuō)服力。據(jù)90后高級(jí)工程師、核工業(yè)西南物理研究院博士科普?qǐng)F(tuán)金牌科普員鄭雪介紹，一座100萬(wàn)千瓦的火電站，每年消耗煤炭約210萬(wàn)噸；同等級(jí)的核電站，每年消耗濃縮鈾約30噸。而如果建造一座100萬(wàn)千瓦的核聚變電站，每年僅需消耗燃料約0.12噸。

　　正因?yàn)榇耍�核聚變能被認(rèn)為是一種理想的“終極能源”，一旦成功應(yīng)用，將從根本上解決人類(lèi)對(duì)能源的需求問(wèn)題。

　　不過(guò)，想要利用核聚變能，還必須要讓核聚變變得可控�！�20世紀(jì)50年代，第一顆氫彈爆炸成功，就意味著人類(lèi)制造核聚變反應(yīng)成為了現(xiàn)實(shí)，但那是不可控的、瞬間的。我們‘造太陽(yáng)’，就是要通過(guò)某種特殊的途徑，將核聚變反應(yīng)過(guò)程變得可控，讓它源源不斷地輸出聚變能為我們所用�！辩娢渎烧f(shuō)。

　　讓核聚變可控，這是一個(gè)世界級(jí)難題，必須要同時(shí)滿(mǎn)足三個(gè)非常苛刻的條件，也就是所謂的“聚變?nèi)�乘積”。

　　“第一個(gè)是它需要上億攝氏度的高溫，因?yàn)橹挥袦囟忍貏e高，原子核才會(huì)‘跑’得更快。第二個(gè)是等離子體的密度要足夠高，這樣原子核之間碰撞發(fā)生聚合反應(yīng)的概率就會(huì)提高。第三個(gè)就是要長(zhǎng)時(shí)間地控制住這些原子核，也就是說(shuō)要將高溫高密度的核反應(yīng)條件維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間。只有這樣，才能夠使核聚變發(fā)生，并且持續(xù)下去�！辩娢渎烧f(shuō)。

　　上億度高溫是個(gè)什么概念？要知道，太陽(yáng)的核心溫度也只有1500萬(wàn)度至2000萬(wàn)度。而地球上的金屬材料在1000度左右就會(huì)融化。聰明的科學(xué)家就利用強(qiáng)磁場(chǎng)，讓高溫的等離子體懸浮起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)與材料的隔離。也就是說(shuō)，讓高溫等離子體在磁場(chǎng)約束下進(jìn)行聚變反應(yīng)。

　　最高可達(dá)2.5兆安培以上電流、1.5億度高溫自主創(chuàng)新造就新一代“人造太陽(yáng)”

　　王金，核工業(yè)西南物理研究院的一名資深高級(jí)技師。

　　對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，對(duì)主機(jī)真空室進(jìn)行查漏檢修……最近，他和同事們一起對(duì)HL-2M裝置進(jìn)行了新的升級(jí)改造，為即將到來(lái)的下一輪放電實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。

　　在新一代“人造太陽(yáng)”的主機(jī)機(jī)房，各種管線(xiàn)、機(jī)柜圍繞在一個(gè)巨型“輪胎”狀機(jī)器周?chē)�，令人眼花繚亂。然而，王金卻對(duì)這里的每一個(gè)零件都了如指掌。

　　“這上面數(shù)萬(wàn)個(gè)零件，都是我和同事們親手安裝和調(diào)試的�！蓖踅鹧哉Z(yǔ)中透著自豪。

　　記者了解到，HL-2M裝置是我國(guó)目前規(guī)模最大、參數(shù)最高的磁約束核聚變實(shí)驗(yàn)研究裝置，采用先進(jìn)的結(jié)構(gòu)與控制方式，等離子體體積達(dá)到國(guó)內(nèi)現(xiàn)有裝置2倍以上，等離子體電流能力提高到2.5兆安培以上，等離子體離子溫度可達(dá)到1.5億攝氏度，能實(shí)現(xiàn)高密度、高比壓、高自舉電流運(yùn)行。同時(shí)也是目前國(guó)際上首個(gè)具備在兆安培等離子體電流下實(shí)現(xiàn)多種先進(jìn)偏濾器位形能力的核聚變先進(jìn)研究平臺(tái)。

　　“更為重要的是，裝置的核心部件都是我國(guó)自主設(shè)計(jì)建造。”鐘武律說(shuō)。

　　據(jù)介紹，新一代“人造太陽(yáng)”由真空室、線(xiàn)圈系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)組和支撐結(jié)構(gòu)等核心部件組成。其設(shè)計(jì)建造背后，有太多打破國(guó)外技術(shù)封鎖、填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白的故事，大到真空室等核心部件，小到一枚枚特殊的膨脹螺栓，都不斷挑戰(zhàn)著國(guó)內(nèi)相關(guān)工程技術(shù)水平極限。

　　“中間那個(gè)直徑約5米、高約3米的‘輪胎’狀設(shè)備就是真空室。”王金告訴記者，僅容器設(shè)計(jì)制造就經(jīng)過(guò)6年的艱難探索。

　　據(jù)介紹，HL-2M裝置主要是靠強(qiáng)磁場(chǎng)將高溫離子約束在真空環(huán)境中，不與任何材料接觸。而這個(gè)超真空環(huán)境，比宇宙空間環(huán)境的要求還要高好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。在設(shè)計(jì)研發(fā)初期，科研團(tuán)隊(duì)大量調(diào)研，走訪(fǎng)了10余家大型制造企業(yè)，卻因設(shè)計(jì)精度高、制造難度大、薄壁件焊接變形控制難、國(guó)內(nèi)無(wú)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)等原因被告知無(wú)法加工。團(tuán)隊(duì)迅速將科學(xué)思維調(diào)整為工程思維，將科學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)細(xì)化為一個(gè)個(gè)可實(shí)現(xiàn)的工程圖紙，以共同研發(fā)和手把手教學(xué)的方式指導(dǎo)廠(chǎng)家加工。這對(duì)長(zhǎng)期從事基礎(chǔ)科研、缺乏工程經(jīng)驗(yàn)的團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，壓力巨大。不過(guò)，最終還是研發(fā)制造出了我國(guó)首臺(tái)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(guān)工藝和技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

　　線(xiàn)圈系統(tǒng)也很重要，它要為HL-2M裝置開(kāi)展放電實(shí)驗(yàn)提供約5萬(wàn)倍于地球磁場(chǎng)的強(qiáng)磁場(chǎng)，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(shè)計(jì)，線(xiàn)圈制造“利舊改造”，是當(dāng)時(shí)最可靠、最高效的方案。然而科研團(tuán)隊(duì)卻選擇重新研制。最終首創(chuàng)了國(guó)內(nèi)最大運(yùn)行電流強(qiáng)磁場(chǎng)D形比特板式可拆分環(huán)向場(chǎng)線(xiàn)圈，突破國(guó)內(nèi)大截面外方內(nèi)圓異形無(wú)氧銅管原有產(chǎn)能極限，獨(dú)創(chuàng)性地掌握了國(guó)內(nèi)大尺寸異形高強(qiáng)度鉻鋯銅材制造技術(shù)，多項(xiàng)工藝領(lǐng)先國(guó)外一流裝置。

　　不僅如此，裝置有關(guān)零部件的安裝精度和清潔度也有著極高要求�！拔覀冋婵帐覂�(nèi)安裝的部件共有4萬(wàn)多個(gè)，全部由人工安裝，如果有任何一個(gè)部件沒(méi)有安裝牢固，或沒(méi)有在指定的位置就會(huì)造成幾百人的團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行。同時(shí)，由于空間受限，所有部件都是緊湊型，需要一層一層安裝上去，安裝難度大�！蓖踅鸾榻B，真空環(huán)境外的第一道“防線(xiàn)”——“第一壁”的安裝，是他面對(duì)的最大挑戰(zhàn)。

　　為了能保護(hù)好后面的各種測(cè)量器件，“第一壁”密布在整個(gè)真空室內(nèi)部，包括多層功能性和結(jié)構(gòu)性材料，大的有撲克牌大小，小的只有指頭大小�！奥�(tīng)起來(lái)好像是‘貼瓷磚’一樣簡(jiǎn)單，但對(duì)間隙和平整度的要求極高，相鄰兩塊材料之間的高度差不能超過(guò)1毫米、間隙不能超過(guò)2毫米，而且作業(yè)空間十分受限。”據(jù)他回憶，整個(gè)“第一壁”的安裝就花了大半年，為了保證環(huán)境的潔凈，工作時(shí)還需要換上全套防塵服，外加手套、口罩、發(fā)套和安全帽，整個(gè)人就只剩下眼睛露在外面。

　　不斷取得新突破、不斷創(chuàng)造新紀(jì)錄核聚變點(diǎn)火正逐漸走向現(xiàn)實(shí)

　　HL-2M裝置主機(jī)一墻之隔，是裝置的中央控制室。2月9日，聚變科學(xué)所控制與信息研究室年輕的90后主任李波在控制室內(nèi)協(xié)調(diào)有關(guān)系統(tǒng)，對(duì)外圍輔助加熱系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

　　他還有一個(gè)稱(chēng)呼——“‘人造太陽(yáng)’的駕駛員”�！爸饕�是負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)打造和運(yùn)行控制裝置的‘中樞神經(jīng)’，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子體的控制�！崩畈ń忉屨f(shuō)。

　　當(dāng)記者提起2022年10月HL-2M裝置創(chuàng)造的新紀(jì)錄——等離子體電流首次突破100萬(wàn)安培(1兆安)，李波頗顯激動(dòng)。據(jù)他介紹，要想實(shí)現(xiàn)核聚變發(fā)電，首先要實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火，這是一個(gè)先決條件�！熬拖胥@木取火一樣，先實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火，后續(xù)只需持續(xù)加‘柴’就可持續(xù)對(duì)外輸出能量�！�

　　不過(guò)，點(diǎn)一把柴火容易，核聚變點(diǎn)火難。如前文所介紹的那樣，等離子體溫度、密度、能量約束時(shí)間三個(gè)變量參數(shù)的乘積，必須超過(guò)特定數(shù)值。而本次等離子體電流突破100萬(wàn)安培，就意味著等離子體的密度極限和能量約束時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)有顯著提升。“這也就意味著我們距離聚變點(diǎn)火又邁進(jìn)了重要一步，對(duì)我國(guó)深度參與目前全球最大的‘人造太陽(yáng)’——國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER實(shí)驗(yàn)及自主設(shè)計(jì)運(yùn)行聚變堆具有重要意義。”李波說(shuō)。

　　不過(guò)，每一次實(shí)驗(yàn)、每一輪放電都會(huì)有新的問(wèn)題等待解決�！叭缤�老一輩‘造太陽(yáng)’的人，我們也要一個(gè)山頭一個(gè)山頭地去攻克�！崩畈ǜ嬖V記者，院所正在集聚各路精兵強(qiáng)將，整合多方優(yōu)勢(shì)資源，院所兩級(jí)紀(jì)委加強(qiáng)監(jiān)督聯(lián)動(dòng)，全力保障基礎(chǔ)科研攻關(guān)，加快推進(jìn)解決“人造太陽(yáng)”關(guān)鍵核心技術(shù)卡脖子難題。

　　據(jù)介紹，我國(guó)的可控核聚變實(shí)驗(yàn)研究始于20世紀(jì)50年代，幾乎與國(guó)際上同步。歷經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，先后研制了多種類(lèi)型的磁約束核聚變研究裝置，如脈沖磁鏡、角向箍縮裝置、仿星器、超導(dǎo)磁鏡、托卡馬克。

　　當(dāng)前主流的“人造太陽(yáng)”裝置為托卡馬克，HL-2M裝置就是一種托卡馬克裝置�！捌鋵�(shí)就是在一個(gè)大型環(huán)狀真空容器里面注滿(mǎn)氣體，然后把氣體電離變成等離子體，再用強(qiáng)磁場(chǎng)把帶電粒子控制住，讓它在真空容器里面懸浮起來(lái)�！辩娢渎烧f(shuō)。在此之前，核工業(yè)西南物理研究院還先后研發(fā)出HL-1、HL-1M、HL-2A系列裝置，其中HL-1是我國(guó)首個(gè)中型托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置，被稱(chēng)為我國(guó)首個(gè)“人造太陽(yáng)”實(shí)驗(yàn)裝置。

　　2006年，中國(guó)、歐盟、美國(guó)、俄羅斯、日本、韓國(guó)和印度共同簽署了ITER項(xiàng)目啟動(dòng)協(xié)定，該項(xiàng)目是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國(guó)際大科學(xué)工程之一，同時(shí)也是中國(guó)以平等身份參加的最大國(guó)際科技合作項(xiàng)目，并不斷取得了新的突破。如今，中國(guó)的磁約束核聚變研究部分技術(shù)已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

　　“實(shí)現(xiàn)核聚變點(diǎn)火正逐漸走向現(xiàn)實(shí)�！睂�(duì)HL-2M這個(gè)我國(guó)唯一一個(gè)具備開(kāi)展堆芯級(jí)等離子體物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ募夹g(shù)平臺(tái)，這群“造太陽(yáng)”的人充滿(mǎn)信心，“未來(lái)HL-2M將繼續(xù)有條不紊開(kāi)展后續(xù)實(shí)驗(yàn)工作，沖擊更高的等離子體電流和離子溫度等參數(shù)，全面提升核聚變?nèi)齾��?shù)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)‘人造太陽(yáng)’研究新的飛躍。”

　　“每一次通過(guò)中控廳的大屏幕看到等離子體的奪目亮光，我就覺(jué)得它特別美，就像人類(lèi)第一次看到自己點(diǎn)燃了篝火——發(fā)光發(fā)亮，充滿(mǎn)希望�！崩畈ǜ锌�道，期待我國(guó)的一盞盞燈早日被核聚變能點(diǎn)亮。(中國(guó)紀(jì)檢監(jiān)察報(bào) 記者 王珍)