中國“人造太陽” 如何突破“卡脖子”

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(yīng)，是人類長久以來的夢想。中國在利用受控核聚變?nèi)ァ胺N太陽”方面已經(jīng)走在世界前列。2020年12出,由中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究睨聚變科學(xué)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(dān)這一高精尖科學(xué)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?wù)录w”。《環(huán)球時報》記者近日專訪了中國“種太陽”團(tuán)隊，聽他們講述如何在國外的技術(shù)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(shè)計制造

中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院聚變科學(xué)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(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、工業(yè)建設(shè)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(yīng)用，人類想要“駕馭”熱核聚變反應(yīng)，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(jìn)行，“原子核必須具備足夠高的動能，如溫度達(dá)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(yīng)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(yīng)條件維持足夠長的時'間，才能使核聚變反應(yīng)得以持續(xù)進(jìn)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(xué)與技術(shù)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(dá)到一定值。在科學(xué)上，將維持核聚變反應(yīng)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?yīng)釋放出足夠多的能量，才可維持核聚變反應(yīng)堆的運(yùn)轉(zhuǎn)并有可觀的能量輸出，使聚變反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行。”

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(biāo)是自主研發(fā)核聚變能反應(yīng)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(biāo)志著我國自主掌握了大型先進(jìn)托卡馬克裝置的設(shè)計、技術(shù)、建造、運(yùn)行技術(shù)，將為下一步我國自主設(shè)計、建造聚變堆奠定堅實基礎(chǔ)。

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(jìn)的結(jié)構(gòu)與控制方式，等離子體體積達(dá)到國內(nèi)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(dá)到1.51億，能實現(xiàn)高密度、高比壓、高自舉電流運(yùn)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(jìn)偏濾器位形能力的核聚變先進(jìn)研究平臺。“裝置的核心部件都是中國自主設(shè)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(shù)不可或缺的重要平臺?！薄?/p>

突破技術(shù)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(jī)組和支撐結(jié)構(gòu)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(shù)封鎖、填補(bǔ)國內(nèi)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(shè)計研發(fā)初期，“種太陽”團(tuán)隊走訪了10余家大型制造企業(yè)，均因該設(shè)備的設(shè)計精度高、制造難度大、薄壁件焊接變形控制難、國內(nèi)無相關(guān)經(jīng)驗等原因被告知無法加工。團(tuán)隊將科學(xué)設(shè)計參數(shù)細(xì)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(xué)的方式指導(dǎo)廠家加工。經(jīng)過6年艱難探索，團(tuán)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(guān)工藝和技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)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(qiáng)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(shè)計方案，線圈制造原采用“利舊改造”的方案。隨著建設(shè)的深入和國際核聚變研究的快速發(fā)展，研發(fā)團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，如果采用“全新研制”，在設(shè)計參數(shù)上能確保達(dá)到國際先進(jìn)水平，甚至實現(xiàn)部分領(lǐng)跑，但研制風(fēng)險極高、創(chuàng)新可能失敗。面對兩難選擇，團(tuán)隊以大量的科學(xué)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(nèi)最大運(yùn)行電流強(qiáng)磁場D形比特板式可拆分環(huán)向場線圈，突破國內(nèi)大截面外方內(nèi)圓異形無氧銅管原有產(chǎn)能極限，獨創(chuàng)性地掌握了國內(nèi)大尺寸異形高強(qiáng)度銘錯銅材制造技術(shù)，多項工藝領(lǐng)先國外一流裝置。

發(fā)電機(jī)組是為“人造太陽”提供運(yùn)行動力的巨型“充電寶”，單次釋能可達(dá)1300兆焦，其功率與秦山一期核電站相當(dāng)。研制團(tuán)隊攻克了超大功率滑差調(diào)節(jié)、大型立式六相脈沖發(fā)電機(jī)電氣制動等技術(shù)，研制出國內(nèi)首臺完全自主知識產(chǎn)權(quán)的大型立軸脈沖發(fā)電機(jī)組，其發(fā)電量可負(fù)擔(dān)一座百萬級人口城市的基本用電量，部分指標(biāo)同樣領(lǐng)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(shù)難度及工藝復(fù)雜性大幅增加，不斷挑戰(zhàn)著國內(nèi)相關(guān)工程技術(shù)水平極限。“美國曾以核心技術(shù)為由禁售建設(shè)人造太陽所需的高強(qiáng)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(xiàn)資料中找突破口，經(jīng)過數(shù)百種材料比對和上千次的試制，終于攻克了關(guān)鍵技術(shù)，打破了國外封鎖，制造出國內(nèi)無生產(chǎn)先例的大尺寸高強(qiáng)度膨脹螺栓，將生產(chǎn)成本降低近90%,極大節(jié)約了科研經(jīng)費?！?/p>

也正是通過這種高強(qiáng)度的技術(shù)攻關(guān)，“人造太陽”研發(fā)團(tuán)隊掌握多項核心技術(shù)，通過與國有大型企業(yè)合力攻關(guān)，極大提升了企業(yè)復(fù)雜產(chǎn)品的研發(fā)能力和裝備制造水平，在推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新的同時，也帶動了產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級?！?/p>

深化國際合作，貢獻(xiàn)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(yuǎn)的國際大科學(xué)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(tuán)隊與日、俄、歐盟等30多個世界主要核聚變研究機(jī)構(gòu)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(xiàn)比例約占9%,其中70%以上以實物貢獻(xiàn)方式，即研發(fā)制造ITER裝置部件，中方按時、高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量交付了有關(guān)任務(wù)，采購包完成質(zhì)量與進(jìn)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。”

鐘武律認(rèn)為,中國參與ITER這樣的國際大科學(xué)計劃，無疑也提升了中國牽頭國際大科學(xué)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(shè)計、建造、運(yùn)行已有的成功經(jīng)驗，補(bǔ)強(qiáng)短板。“參加ITER計劃是我國磁約束核聚變能研發(fā)計劃中關(guān)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(dāng)下還面臨一些關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)挑戰(zhàn)，下一步我國核聚變的發(fā)展應(yīng)充分利用ITER的建設(shè)與運(yùn)行，重點進(jìn)行人才培養(yǎng)與技術(shù)儲備，加速開展ITER未涵蓋的未來聚變堆關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，有效解決自主設(shè)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(chǎn)業(yè)發(fā)展格局。”

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(jīng)從技術(shù)“跟跑”“并跑”達(dá)到了部分“領(lǐng)跑”，新一代“人造太陽”作為消化、吸收ITER技術(shù)的重要平臺，十年間也培養(yǎng)鍛煉了一批具有參與大科學(xué)工程能力的高水平科技人才"“黨中央加快建設(shè)世界重要人才中心和創(chuàng)新高地，完善人才發(fā)展體制機(jī)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>