原標(biāo)題：【環(huán)時(shí)深度】中國“人造太陽”如何突破“卡脖子”？

來源：環(huán)球時(shí)報(bào)

【環(huán)球時(shí)報(bào)報(bào)道 記者 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月，由中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院聚變科學(xué)所研制的新一代“人造太陽”——中國環(huán)流器二號(hào)M裝置（HL-2M）實(shí)現(xiàn)首次放電。承擔(dān)這一高精尖科學(xué)項(xiàng)目的76人隊(duì)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(duì)伍榮獲第26屆“中國青年五四獎(jiǎng)?wù)录w”。《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者近日專訪了中國“種太陽”團(tuán)隊(duì)，聽他們講述如何在國外的技術(shù)封鎖下，實(shí)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(jì)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(shí)報(bào)》記者專訪時(shí)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(huì)能源與環(huán)境問題的有效途徑，對我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、工業(yè)建設(shè)具有重要戰(zhàn)略意義。”

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(gè)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(dòng)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?jiǎng)?chuàng)造等離子體高密度的條件，“氘氚原子核的密度足夠高，才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(shí)現(xiàn)可控核聚變還需要維持一個(gè)較長的能量約束時(shí)間，“將高溫高密度的核反應(yīng)條件維持足夠長的時(shí)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?yàn)檫@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(shí)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(gè)特殊條件被稱為“勞森判據(jù)”。“只有核聚變反應(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(jì)、建造、運(yùn)行技術(shù)，將為下一步我國自主設(shè)計(jì)、建造聚變堆奠定堅(jiān)實(shí)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變實(shí)驗(yàn)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1.5億度，能實(shí)現(xiàn)高密度、高比壓、高自舉電流運(yùn)行。該裝置同時(shí)也是目前國際上首個(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)。“裝置的核心部件都是中國自主設(shè)計(jì)制造，它是實(shí)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(xiàng)目之一——國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）技術(shù)不可或缺的重要平臺(tái)。

突破技術(shù)封鎖，提升中國制造

據(jù)《環(huán)球時(shí)報(bào)》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(gè)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(lì)志故事。

以真空室為例，該裝置為“人造太陽”放電實(shí)驗(yàn)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(gè)數(shù)量級(jí)。設(shè)計(jì)研發(fā)初期，“種太陽”團(tuán)隊(duì)走訪了10余家大型制造企業(yè)，均因該設(shè)備的設(shè)計(jì)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(yàn)等原因被告知無法加工。團(tuán)隊(duì)將科學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)細(xì)化為一張張可實(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)廠家加工。經(jīng)過6年艱難探索，團(tuán)隊(duì)制造出我國首臺(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)到國際領(lǐng)先水平。

線圈系統(tǒng)為“人造太陽”裝置放電實(shí)驗(yàn)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(jì)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(duì)發(fā)現(xiàn)，如果采用“全新研制”，在設(shè)計(jì)參數(shù)上能確保達(dá)到國際先進(jìn)水平，甚至實(shí)現(xiàn)部分領(lǐng)跑，但研制風(fēng)險(xiǎn)極高、創(chuàng)新可能失敗。面對兩難選擇，團(tuán)隊(duì)以大量的科學(xué)計(jì)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(dú)創(chuàng)性地掌握了國內(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)先國外一流裝置。

發(fā)電機(jī)組是為“人造太陽”提供運(yùn)行動(dòng)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(duì)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(dòng)等技術(shù)，研制出國內(nèi)首臺(tái)完全自主知識(shí)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(jí)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(jí)等離子體參數(shù)條件下開展物理實(shí)驗(yàn)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(gè)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(fèi)。”

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(duì)掌握多項(xiàng)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(shí)，也帶動(dòng)了產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)。

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(shí)驗(yàn)堆（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)的國際大科學(xué)工程之一, 同時(shí)也是中國以平等身份參加的最大國際科技合作項(xiàng)目。

據(jù)鐘武律介紹，該項(xiàng)目同時(shí)也是“人造太陽”的研發(fā)團(tuán)隊(duì)與日、俄、歐盟等30多個(gè)世界主要核聚變研究機(jī)構(gòu)及國際組織合作項(xiàng)目中規(guī)模最大的一個(gè)項(xiàng)目。“中國以‘平等伙伴’身份加入ITER計(jì)劃，貢獻(xiàn)比例約占9%，其中70%以上以實(shí)物貢獻(xiàn)方式，即研發(fā)制造ITER裝置部件，中方按時(shí)、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(dòng)了項(xiàng)目實(shí)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(jì)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(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行已有的成功經(jīng)驗(yàn)，補(bǔ)強(qiáng)短板。“參加ITER計(jì)劃是我國磁約束核聚變能研發(fā)計(jì)劃中關(guān)鍵一步。立足我國磁約束核聚變研究現(xiàn)狀，在中國建造未來聚變堆，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(diǎn)進(jìn)行人才培養(yǎng)與技術(shù)儲(chǔ)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(jì)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(shí)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(tái)，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(dòng)作用。”

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