問鼎人類終極能源 中國(guó)人在奔跑
——中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M 裝置建成

特約記者 盛安陵/文

中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M 裝置管林安裝

2020 年初冬的一個(gè)下午，在成都西南角的中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院，中國(guó)環(huán)流器指揮控制中心突然沸騰了。大家相互擊掌祝賀,有的人眼里還噙滿了淚花。

此時(shí)，位于大廳中央的巨型屏幕上，一道電光閃過，稍作間歇又是一道，頻繁閃爍……由該院自主設(shè)計(jì)建造的新一代先進(jìn)磁約束核聚變實(shí)驗(yàn)研究裝置中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M 裝置（HL-2M）成功放電。

“這標(biāo)志著HL-2M 已經(jīng)建成。為了這一刻，大家拼搏了許多個(gè)日日夜夜。”中核集團(tuán)核西物院中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M 項(xiàng)目負(fù)責(zé)人劉永說，“作為我國(guó)新建的的先進(jìn)托卡馬克裝置，HL-2M 等離子體離子溫度可達(dá)到1.5 億攝氏度，可實(shí)現(xiàn)高密度、高比壓、高自舉電流運(yùn)行，將大力提升我國(guó)堆芯級(jí)等離子體物理研究及相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)先進(jìn)水平，為我國(guó)深度參與ITER 計(jì)劃及自主設(shè)計(jì)建造聚變堆提供重要技術(shù)支撐。”

ITER“衛(wèi)星”

萬物生長(zhǎng)靠太陽。支撐人類社會(huì)發(fā)展的一切能量來自太陽，而太陽的能量則來自核聚變。

其實(shí)，核聚變并不神秘，只要將氫的同位素氘和氚的原子核無限接近，使其發(fā)生聚變反應(yīng)，就能釋放出巨大能量。

工程師在真空室內(nèi)進(jìn)行關(guān)鍵部件質(zhì)量檢測(cè)

然而，原理看似簡(jiǎn)單，但要讓聚變反應(yīng)持續(xù)可控，可以說難于上青天。

據(jù)劉永介紹，要實(shí)現(xiàn)可控核聚變反應(yīng)，必須滿足三個(gè)苛刻條件：一是溫度要足夠高，使燃料變成超過1 億攝氏度的等離子體；二是密度要足夠高，這樣兩原子核發(fā)生碰撞的概率就大；三是等離子體在有限的空間里被約束足夠長(zhǎng)時(shí)間。

這就是聚變界通常所說的“三乘積”中的要素——離子溫度、密度和能量約束時(shí)間。別小覷這三要素，自上世紀(jì)50 年代至今，國(guó)際聚變界的科學(xué)家們可謂前赴后繼、攻堅(jiān)克難、煞費(fèi)苦心、孜孜不倦，但仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)。為此，ITER 計(jì)劃被推出，集全世界力量以攻克難關(guān)；中國(guó)成為七方重要成員之一。

其實(shí)，中國(guó)可控核聚變研究與世界幾乎同步。自1955 年錢三強(qiáng)、李正武等老一輩科學(xué)家提議開展“可控?zé)岷朔磻?yīng)”以來，取得了一系列重要科研成果。特別是1965 年核西物院成立后，先后發(fā)展了脈沖磁鏡、角向箍縮裝置、仿星器、超導(dǎo)磁鏡、反場(chǎng)箍縮裝置和托卡馬克等多種類型的磁約束聚變研究裝置。其中，最為典型的是1984 年在四川樂山建成的中國(guó)環(huán)流器一號(hào)（HL-1）。這是我國(guó)核聚變研究史上的一個(gè)重要里程碑，標(biāo)志著我國(guó)可控核聚變研究從原理探索進(jìn)入規(guī)模化實(shí)驗(yàn)研究新階段。從此，中國(guó)核聚變研究由小到大、由弱到強(qiáng)，進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展的新階段。2002年，由核西物院建造的中國(guó)環(huán)流器二號(hào)A（HL-2A）成為這一時(shí)期的代表。這也是我國(guó)第一個(gè)具有偏濾器位形的托卡馬克裝置。

劉永說：“HL-2M 裝置是HL-2A 的改造升級(jí)裝置，是實(shí)現(xiàn)我國(guó)核聚變能開發(fā)事業(yè)跨越式發(fā)展的重要依托裝置，同時(shí)也是我國(guó)消化吸收ITER 技術(shù)不可或缺的平臺(tái)。”

據(jù)他介紹，自2006 年國(guó)際啟動(dòng)ITER 計(jì)劃后，各國(guó)均是一方面積極參與ITER 計(jì)劃，另一方面也在推動(dòng)本國(guó)核聚變研究。有的是改進(jìn)以前的科學(xué)裝置，有的是建設(shè)新的科學(xué)裝置，目的是在ITER 建成前的這一段時(shí)間里，依托各自國(guó)內(nèi)裝置和平臺(tái)全面掌握ITER 的技術(shù)和能力。

“對(duì)于中國(guó)人來說，若要在ITER 上發(fā)揮更多作用，像HL-2M 這樣高參數(shù)運(yùn)行的裝置不可或缺，一方面支撐ITER，為ITER 開展預(yù)先研究、并探索相關(guān)物理與工程問題，另一方面就是作為我國(guó)可控核聚變?nèi)瞬排囵B(yǎng)的重要平臺(tái)。這是承上啟下的重要一步，不可逾越。”劉永補(bǔ)充道，“通常像HL-2M 這樣的高參數(shù)運(yùn)行裝置，可被稱為ITER‘衛(wèi)星’。而全世界正在運(yùn)行的稱得上ITER‘衛(wèi)星’的科學(xué)裝置不多。HL-2M 名副其實(shí)。”

中國(guó)聚變不能只等ITER

1984 年，核西物院建成了我國(guó)首座受控核聚變托卡馬克大科學(xué)裝置——中國(guó)環(huán)流器一號(hào)（HL-1），之后陸續(xù)建造中國(guó)環(huán)流器新一號(hào)(HL-1M)、中國(guó)環(huán)流器二號(hào)A(HL-2A)，HL-2M 是核西物院建造的第四座托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置。在先進(jìn)性方面，HL-2M 與前三個(gè)裝置相比有著跨越式的提升。

據(jù)劉永介紹，HL-2M 在裝置物理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、特殊材料研制與連接技術(shù)研發(fā)、關(guān)鍵部件制造與總裝集成等方面取得了多項(xiàng)突破。

的確，為了確保裝置的性能能夠滿足在堆芯級(jí)等離子體參數(shù)條件下開展物理實(shí)驗(yàn)研究的要求，HL-2M 與HL-2A 相比，裝置主機(jī)性能參數(shù)需大幅提升，為此，采用了更先進(jìn)的結(jié)構(gòu)與控制方式，造成工程技術(shù)難度及工藝復(fù)雜性大幅增加。

那么，核西物院為什么會(huì)選擇邁出跨越式發(fā)展這一步呢？

ITER 計(jì)劃實(shí)施后，中國(guó)核聚變?nèi)绾伟l(fā)展成為了擺在劉永等中國(guó)核聚變?nèi)嗣媲盁o法回避的問題。當(dāng)時(shí)，HL-2A 已經(jīng)難以滿足核聚變研究的要求，他們亟需性能更高、參數(shù)指標(biāo)與國(guó)際先進(jìn)水平媲美的平臺(tái)做支撐。

“當(dāng)然，參數(shù)越接近ITER 越有利于中國(guó)在全球核聚變領(lǐng)域發(fā)揮作用。但是，這是對(duì)國(guó)家綜合實(shí)力，特別是工業(yè)制造能力一項(xiàng)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。”劉永回憶道。

工程師在做磁測(cè)量線圈定位檢測(cè)

在前ITER 時(shí)代，參數(shù)很低的裝置顯然沒有必要建造；但是對(duì)于建造參數(shù)高的裝置，中國(guó)技術(shù)積累夠不夠，是否具備建造能力，人才是否有支撐，經(jīng)費(fèi)是否能保障，成為一長(zhǎng)串問題。決策保守，沒有創(chuàng)新性，價(jià)值有限，難以前進(jìn)；決策冒進(jìn)，我國(guó)工業(yè)基礎(chǔ)難以支撐，風(fēng)險(xiǎn)太大。如何平衡和把握先進(jìn)性和可靠性之間的關(guān)系，成為了大家反復(fù)討論的焦點(diǎn)。但專家們最終的意見是：跳一跳，夠得著。

劉永再次強(qiáng)調(diào)說，中國(guó)聚變研究不能只等ITER。中國(guó)全方位參與ITER，但也必須要有自己的研究計(jì)劃，為此必須要有HL-2M 這樣能與國(guó)際一流比肩的裝置和平臺(tái)做支撐。

讓劉永等人慶幸的是，此項(xiàng)認(rèn)知得到了政府主管部門、我國(guó)聚變研究領(lǐng)域的廣泛支持。

HL-2M 于2010 正式批復(fù)立項(xiàng)。

當(dāng)然，在ITER 計(jì)劃執(zhí)行中，中國(guó)始終恪守國(guó)際承諾，相關(guān)企業(yè)和科研人員勇挑重?fù)?dān)，與國(guó)際同行齊心協(xié)力，為計(jì)劃的順利推進(jìn)貢獻(xiàn)了中國(guó)智慧和中國(guó)力量。今年7 月28 日，在ITER 計(jì)劃重大工程安裝正式啟動(dòng)儀式上，國(guó)家主席習(xí)近平致賀信，并表示中國(guó)愿繼續(xù)同各方加強(qiáng)科研交流合作，合力突破重大關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)，推進(jìn)全球科技創(chuàng)新，為增進(jìn)各國(guó)人民福祉、實(shí)現(xiàn)全球可持續(xù)發(fā)展不斷作出新貢獻(xiàn)。

為人類核聚變事業(yè)貢獻(xiàn)中國(guó)力量

十年彈指一揮間。在這閃爍的電光之間，十年里的畫面一幕幕浮現(xiàn)在大家眼前。

為了成功制造HL-2M 關(guān)鍵核心部件真空室，建造人員冉紅數(shù)次腰疾復(fù)發(fā)，她都強(qiáng)忍著堅(jiān)守制造現(xiàn)場(chǎng)，解決一系列技術(shù)問題和難點(diǎn)，連續(xù)克服了數(shù)個(gè)技術(shù)瓶頸；同為建造人員的宋斌斌，累計(jì)駐廠近5 年，連續(xù)3 年放棄國(guó)慶假期和高溫假，堅(jiān)守制造現(xiàn)場(chǎng)，即使車間高達(dá)40℃以上，揮汗如雨的他也未曾離開；為了中心柱安裝萬無一失，線圈組負(fù)責(zé)人劉曉龍帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成員反復(fù)討論，一個(gè)月內(nèi)做了十幾個(gè)方案，反復(fù)驗(yàn)證，甚至整個(gè)團(tuán)隊(duì)放棄了2018 年整個(gè)春節(jié)，在現(xiàn)場(chǎng)苦戰(zhàn)整整3 個(gè)月；裝置工程聯(lián)調(diào)是裝置放電前的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要上百個(gè)系統(tǒng)同時(shí)調(diào)試并達(dá)到運(yùn)行條件。聯(lián)調(diào)協(xié)調(diào)人季小全一邊組織團(tuán)隊(duì)討論調(diào)試方案和計(jì)劃、一邊組織專家討論解決技術(shù)難點(diǎn)，晚上還要協(xié)調(diào)各外協(xié)廠家加班加點(diǎn)趕進(jìn)度，經(jīng)常晚上最后一個(gè)走……

為了實(shí)現(xiàn)“跳一跳、夠得著”，HL-2M 中的不少材料和工藝都是前人沒有做過的。可以說，從裝置的前期調(diào)研、設(shè)計(jì)到建造、安裝，核西物院HL-2M工程項(xiàng)目的科研人員、設(shè)計(jì)師、工程師和管理團(tuán)隊(duì)300 多人都不斷在向極限挑戰(zhàn)。

劉永說：“的確，現(xiàn)實(shí)情況比起初預(yù)想要困難得多，但是我堅(jiān)信我們能夠成功，因?yàn)槲覀兙邆溥@個(gè)能力和水平。”

精誠(chéng)所至，金石為開。在建設(shè)HL-2M 裝置過程中，核西物院聯(lián)合國(guó)內(nèi)多家研制單位，在裝置物理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、特殊材料研制、材料連接與關(guān)鍵部件研發(fā)、總裝集成等方面取得了多項(xiàng)突破，實(shí)現(xiàn)了可拆卸線圈結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了控制運(yùn)行水平，提升了裝置物理實(shí)驗(yàn)研究能力；攻克了高鎳合金雙曲面薄壁件大型真空容器模壓成型和焊接變形控制等關(guān)鍵技術(shù)；掌握了具有國(guó)際先進(jìn)水平的異形銅合金厚板材制造成型工藝，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度膨脹螺栓組件的自主國(guó)產(chǎn)化；研制成功國(guó)際先進(jìn)水平的國(guó)內(nèi)首臺(tái)大型立軸脈沖發(fā)電機(jī)組。

劉永說，HL-2M 裝置的建成，為開展堆芯級(jí)等離子體物理實(shí)驗(yàn)提供了硬件平臺(tái)，將有助于提升我國(guó)核聚變能源領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力，為我國(guó)未來核聚變堆的自主設(shè)計(jì)與建造打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

但他冷靜地說道，ITER 計(jì)劃是實(shí)現(xiàn)聚變能應(yīng)用的關(guān)鍵一步，要實(shí)現(xiàn)聚變能的商用，還有很長(zhǎng)的路要走，需要幾代核聚變?nèi)私恿Ρ寂堋：宋魑镌簩⒁劳蠬L-2M 這一先進(jìn)平臺(tái)，培養(yǎng)并儲(chǔ)備一批核聚變領(lǐng)域年輕的技術(shù)研發(fā)人才與團(tuán)隊(duì)，為人類核聚變事業(yè)貢獻(xiàn)中國(guó)智慧和中國(guó)力量。