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中國環流器二號M裝置真空室吊裝。范 晉攝

中國環流器二號M裝置PF7B線圈起吊。范 晉攝

取得豐碩科研成果的中國環流器二號A裝置。關 宇攝

技術人員合力安裝真空室外壁磁通環。范 晉攝
　　（本版圖片均為中核集團核工業西南物理研究院提供）

萬物(wu)生長靠太(tai)(tai)陽(yang)。今天支撐(cheng)人類(lei)社會運轉的幾乎一切能(neng)源，從煤、石油、天然(ran)氣(qi)，到風(feng)能(neng)、生物(wu)能(neng)，其(qi)本(ben)質都是太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)，而(er)太(tai)(tai)陽(yang)上的能(neng)量(liang)來自內(nei)部的核聚變反應。

就像兒(er)歌中所唱(chang)的(de)，“我有一個美(mei)麗的(de)愿望，長大(da)以(yi)后能播種(zhong)太(tai)陽”，長久以(yi)來，人(ren)類一直希(xi)望通過可控核聚變反應，來創(chuang)造(zao)出“人(ren)造(zao)太(tai)陽”，從而獲得(de)源(yuan)源(yuan)不絕的(de)能源(yuan)，大(da)幅(fu)改善人(ren)們的(de)生(sheng)活。

就在前不久，中國核工業(ye)(ye)集團宣布，新一代(dai)可控(kong)核聚變(bian)研(yan)究(jiu)裝置“中國環流器二號(hao)M”，預計于2020年投(tou)入運行。中核集團核工業(ye)(ye)西南物理研(yan)究(jiu)院(yuan)院(yuan)長段旭如表示，該實(shi)驗裝置的建成(cheng)將(jiang)為(wei)人類(lei)真正(zheng)掌握可控(kong)核聚變(bian)提供重要技術支撐。我們(men)距離“人造太陽”的夢(meng)想，又近了一步。

源源不絕的清潔能源

眾(zhong)所周(zhou)知，石油(you)是(shi)工業的血液。但以石油(you)為代(dai)表的化石能(neng)源，有兩個繞不開的問(wen)題：一(yi)是(shi)不可再生，二是(shi)污染。即便頁(ye)巖(yan)氣(qi)、可燃冰等(deng)(deng)新型(xing)能(neng)源被(bei)不斷開發，但歸根結底都有消(xiao)耗(hao)殆盡的一(yi)天。而目前(qian)的核裂變能(neng)也(ye)存在(zai)著反應(ying)原料(liao)（鈾等(deng)(deng)）有限、核廢料(liao)放射(she)性(xing)污染的問(wen)題。

有沒(mei)有一(yi)種能(neng)源，既無窮無盡，又清潔環保？還真(zhen)有一(yi)個，就是(shi)可控核聚變。

從“進口”上(shang)說，可(ke)(ke)控核(he)聚變(bian)所需的(de)(de)反(fan)應原料（氘(dao)原子和氚原子），在地球上(shang)非常豐(feng)富。氘(dao)在海(hai)(hai)(hai)水(shui)中儲量(liang)極大，1公(gong)升(sheng)海(hai)(hai)(hai)水(shui)里(li)提取出的(de)(de)氘(dao)，在完全(quan)的(de)(de)聚變(bian)反(fan)應中可(ke)(ke)釋放相當于燃燒(shao)300公(gong)升(sheng)汽(qi)油(you)的(de)(de)能量(liang)；而氚可(ke)(ke)通過中子與鋰反(fan)應生成(cheng)，在地殼和海(hai)(hai)(hai)水(shui)中，鋰都是(shi)大量(liang)存在的(de)(de)。

從(cong)“出(chu)口(kou)”上說，可控核聚變的(de)產物為氦和中子，不排放有害氣體，也(ye)幾(ji)乎沒(mei)有放射性污染，具有環境友(you)好的(de)優點。

“核(he)聚變能(neng)一旦實現和(he)平利用，地球(qiu)上的(de)能(neng)源將(jiang)取之不盡用之不竭，因能(neng)源短缺帶來的(de)社會問(wen)題可(ke)得到徹底解決(jue)，人們(men)的(de)生活水(shui)平也(ye)將(jiang)因此而得到極大(da)提高。”段旭如(ru)說，像(xiang)海水(shui)淡化(hua)、星際飛船這類(lei)工(gong)程，過去因耗能(neng)太大(da)而令(ling)人們(men)猶豫不決(jue)，而未來在可(ke)控核(he)聚變能(neng)的(de)支持下(xia)，都將(jiang)能(neng)夠更快(kuai)發展(zhan)。

不僅零污(wu)染(ran)、用不完，可控(kong)核(he)聚(ju)變(bian)(bian)(bian)還(huan)有另一(yi)個重要(yao)特點(dian)：固有安全性。許多人一(yi)想到(dao)用核(he)能發電(dian)，就會想到(dao)切(qie)爾諾貝利核(he)事(shi)故或者福島(dao)核(he)事(shi)故，從而(er)有了“恐核(he)”心理，談核(he)色變(bian)(bian)(bian)。事(shi)實上(shang)，核(he)聚(ju)變(bian)(bian)(bian)反(fan)(fan)應需(xu)要(yao)氘氚燃料達(da)到(dao)上(shang)億攝氏度(du)的(de)高(gao)溫和足夠(gou)高(gao)的(de)密度(du)等苛刻條件，任何一(yi)點(dian)細微條件的(de)缺失，都會導(dao)致溫度(du)密度(du)的(de)下(xia)降(jiang)，致使聚(ju)變(bian)(bian)(bian)反(fan)(fan)應停止。

然而，世界上(shang)仍然有許(xu)多環保機(ji)構公開指責核(he)聚(ju)變所(suo)存在的(de)安全隱患，包括產生核(he)廢料(liao)以(yi)及核(he)泄(xie)漏的(de)風險。對此(ci)，段旭(xu)如解釋：“由于燃燒的(de)氘(dao)氚等離子體被磁場約(yue)束(shu)在真空容器內，其密度比空氣低數個量(liang)級，聚(ju)變堆氘(dao)氚燃料(liao)含(han)量(liang)也(ye)較低，因此(ci)不會引(yin)起爆炸(zha)，也(ye)不會導(dao)致(zhi)泄(xie)漏事故(gu)。”

理想很美好，但實(shi)現起(qi)來并不(bu)容(rong)易。一個(ge)最(zui)明顯的問題(ti)，就是用(yong)什么容(rong)器來承載核聚變。

據段旭如介紹，在(zai)地(di)球上利用核(he)(he)聚變(bian)能，要(yao)求(qiu)在(zai)人工控制條件下等(deng)(deng)離子體(ti)的離子溫(wen)度(du)(du)(du)達到1億(yi)(yi)(yi)攝氏(shi)度(du)(du)(du)以上。“1億(yi)(yi)(yi)度(du)(du)(du)是什(shen)么概念？太陽的核(he)(he)心(xin)溫(wen)度(du)(du)(du)大概在(zai)1500萬度(du)(du)(du)至2000萬度(du)(du)(du)；而地(di)球上最耐高溫(wen)的金屬材料鎢在(zai)3000多度(du)(du)(du)就(jiu)會熔化。1億(yi)(yi)(yi)度(du)(du)(du)，已經超過(guo)太陽核(he)(he)心(xin)溫(wen)度(du)(du)(du)的5至6倍了。”中核(he)(he)集團核(he)(he)工業西南(nan)物理研究(jiu)院(yuan)特(te)聘研究(jiu)員鐘(zhong)武(wu)律(lv)解釋說，“在(zai)地(di)球上，沒有(you)任何材料可以把1億(yi)(yi)(yi)度(du)(du)(du)高溫(wen)的等(deng)(deng)離子體(ti)給(gei)直接包裹(guo)起來。”

不(bu)過這(zhe)個(ge)問題還是難不(bu)倒人類科(ke)學家(jia)，他們(men)“無(wu)招勝有(you)招”，想出(chu)了用(yong)強(qiang)磁場來約束高(gao)溫(wen)核聚(ju)(ju)變燃料的(de)(de)辦法。但具體用(yong)什(shen)么裝(zhuang)置來實(shi)現，還要繼續探索(suo)。從20世紀50年代開始，英、美、蘇等國科(ke)學家(jia)前赴后繼，快箍縮、磁鏡、仿星器等不(bu)同的(de)(de)技術(shu)路線此消彼(bi)長。競爭(zheng)延續到(dao)了1960年代，最終由蘇聯科(ke)學家(jia)提(ti)出(chu)的(de)(de)托卡(ka)馬(ma)克(ke)方案異軍(jun)突起，效(xiao)果驚人，國際聚(ju)(ju)變界的(de)(de)重點(dian)研究方向隨之轉向了托卡(ka)馬(ma)克(ke)。

攻堅克難的核聚變人

當世界(jie)的(de)可控核(he)聚(ju)變研究如火如荼時，中國(guo)“人造太陽”的(de)建設也沒有掉(diao)隊。早在1955年(nian)，錢三強和(he)剛(gang)留美歸來(lai)的(de)李(li)正武等科(ke)學家便提議開展中國(guo)的(de)“可控熱(re)核(he)反(fan)應”研究，這與國(guo)際社會關注核(he)聚(ju)變幾乎同(tong)步。

1965年，根據(ju)國家“三(san)線”建設統一規劃，在四川(chuan)省樂山市郊區(qu)，建立了(le)當時中國最大的核(he)(he)(he)聚(ju)變研(yan)究(jiu)基地——西南(nan)物理研(yan)究(jiu)所，這也是(shi)中核(he)(he)(he)集團核(he)(he)(he)工業西南(nan)物理研(yan)究(jiu)院（以下簡稱“核(he)(he)(he)西物院”）的前(qian)身。

而中(zhong)國(guo)(guo)核(he)聚(ju)變研究(jiu)史上(shang)的重(zhong)要里(li)程碑，當(dang)屬(shu)1984年中(zhong)國(guo)(guo)環流器一(yi)號（HL－1）的建成。這是(shi)中(zhong)國(guo)(guo)核(he)聚(ju)變領域的第一(yi)座大科學(xue)裝置，它為中(zhong)國(guo)(guo)自(zi)主設計(ji)、建造、運行(xing)“人(ren)造太陽”培養(yang)了大批人(ren)才，積累(lei)了豐富經驗。

上(shang)世紀80年(nian)代，作家莫然曾造(zao)訪位于108級石梯之高的(de)荒(huang)山上(shang)的(de)研(yan)究(jiu)所。據她回憶，剛搬(ban)遷至(zhi)樂山時，所里(li)條件簡(jian)陋，可謂一貧如洗。研(yan)究(jiu)者缺(que)乏住所，甚至(zhi)只能(neng)睡在(zai)(zai)帳篷里(li)。但(dan)(dan)中(zhong)國(guo)可控核聚變研(yan)究(jiu)的(de)“搖籃”恰恰是誕生(sheng)在(zai)(zai)這(zhe)樣艱(jian)苦的(de)環(huan)(huan)境(jing)(jing)中(zhong)，這(zhe)離(li)不開研(yan)究(jiu)者開荒(huang)拓土、篳路藍縷之功。正如莫然所說(shuo)：“盡(jin)管研(yan)究(jiu)所的(de)房(fang)間(jian)就(jiu)像山洞一樣，但(dan)(dan)我們(men)的(de)科學家具(ju)有舍己的(de)奉獻精(jing)神(shen)，就(jiu)在(zai)(zai)那樣的(de)環(huan)(huan)境(jing)(jing)中(zhong)，他們(men)制造(zao)出了‘中(zhong)國(guo)環(huan)(huan)流器一號’，光設計(ji)圖紙就(jiu)有3層(ceng)樓那樣高。”

從此，中國磁約束(shu)聚變一(yi)步(bu)步(bu)從無(wu)到(dao)有，從小到(dao)大，從弱到(dao)強。1995年中國第(di)一(yi)個超導托(tuo)卡馬(ma)克(ke)裝(zhuang)(zhuang)置HT-7在合肥建成；2002年中國建成第(di)一(yi)個具有偏濾器位(wei)形的托(tuo)卡馬(ma)克(ke)裝(zhuang)(zhuang)置中國環流器二號 A（HL－2A）；2006年，世(shi)界上第(di)一(yi)個全(quan)超導托(tuo)卡馬(ma)克(ke)裝(zhuang)(zhuang)置東方超環（EAST）首次等離子體放電成功……

而(er)預計2020年(nian)投(tou)入運行的“中(zhong)(zhong)國(guo)環流器(qi)二(er)號M”裝(zhuang)置(zhi)將(jiang)成為(wei)中(zhong)(zhong)國(guo)規模最大、參數(shu)最高的磁約束可控核聚變實驗研(yan)究裝(zhuang)置(zhi)，其等離(li)子(zi)體體積為(wei)中(zhong)(zhong)國(guo)現有裝(zhuang)置(zhi)的2倍以上(shang)，離(li)子(zi)溫(wen)度將(jiang)達到1億(yi)攝氏度以上(shang)，可將(jiang)電流從中(zhong)(zhong)國(guo)現有裝(zhuang)置(zhi)的1兆安(an)培提高到3兆安(an)培。

作為一個歷經多年研制的(de)(de)(de)實(shi)驗項目，中國環(huan)流器二號M精細(xi)的(de)(de)(de)部件工藝很(hen)多都是(shi)前無古人的(de)(de)(de)創(chuang)造。就像(xiang)在裝置設(she)(she)備(bei)“真空(kong)室”中，許多細(xi)小(xiao)的(de)(de)(de)誤(wu)差是(shi)現有檢測儀(yi)器所無法感知的(de)(de)(de)，很(hen)多時候甚至需(xu)要(yao)自主(zhu)開發新的(de)(de)(de)檢驗設(she)(she)備(bei)，因為連塵埃般大小(xiao)的(de)(de)(de)缺陷(xian)都會影響最終(zhong)的(de)(de)(de)實(shi)驗結果。

為(wei)了保障中(zhong)(zhong)心(xin)柱這(zhe)個高(gao)約2層樓(lou)、重約80噸的(de)裝置設備(bei)在(zai)移(yi)動過(guo)程中(zhong)(zhong)不(bu)(bu)受磕碰，且安裝精度(du)不(bu)(bu)超(chao)過(guo)0.1毫米偏差(cha)，二(er)號(hao)M裝置線(xian)(xian)圈團隊(dui)在(zai)1個月內做了十幾種方案，短(duan)短(duan)2分鐘的(de)路(lu)程，研究團隊(dui)最(zui)終(zhong)耗費了近9個小(xiao)時(shi)才(cai)成(cheng)(cheng)功完成(cheng)(cheng)搬(ban)運。“移(yi)動中(zhong)(zhong)，大家像呵護寶貝一(yi)樣。”項目線(xian)(xian)圈組負(fu)責人劉曉龍說，“還不(bu)(bu)錯，我們成(cheng)(cheng)功了。”

“既(ji)然把任務(wu)交給我們這(zhe)個團(tuan)隊了，我們就(jiu)有(you)義務(wu)把事情(qing)做(zuo)好，給中核集團(tuan)、給核工(gong)業乃(nai)至國家(jia)一個交代。”中國環流器二號M裝(zhuang)置項目經(jing)理劉永的話擲(zhi)地(di)有(you)聲。

走向國際的中國團隊

可(ke)控核聚變(bian)研究(jiu)非常困難(nan)，難(nan)到什么(me)程度(du)？鐘武律(lv)給我們做(zuo)了(le)一個比較：“世界(jie)上第一顆原子彈爆炸以(yi)后(hou)，不到十年核裂變(bian)就實現(xian)了(le)和平利用，建(jian)成了(le)核電站。科(ke)學(xue)家(jia)們想，氫彈成功以(yi)后(hou)，應(ying)該也(ye)用不了(le)多長(chang)時間就能夠實現(xian)核聚變(bian)的和平利用，實現(xian)可(ke)控核聚變(bian)。但后(hou)來(lai)的研究(jiu)發現(xian)，并沒有(you)那么(me)簡(jian)單，它需要(yao)全世界(jie)的科(ke)學(xue)家(jia)一起來(lai)努力完成。”

于是(shi)就有了(le)2006年(nian)國(guo)(guo)際熱核(he)聚變實驗堆（ITER）計劃的簽署。由(you)中國(guo)(guo)、美國(guo)(guo)、歐盟、俄羅斯(si)、日本、韓(han)國(guo)(guo)和印(yin)度七方參與，計劃在(zai)法國(guo)(guo)南部普羅旺斯(si)地區共同建造一個世界上最大的托卡馬克裝置(zhi)。ITER是(shi)目前(qian)全球影響最深遠且最大的國(guo)(guo)際合作項目之一，也是(shi)中國(guo)(guo)以平等身份參加的最大國(guo)(guo)際科技合作項目。其(qi)中，中國(guo)(guo)承擔了(le)大概(gai)9%的采購包研發任務。

“我國這些(xie)年磁約束聚(ju)變研(yan)究進(jin)展得益于參加ITER計劃。”段(duan)旭如說，比如中國環(huan)流器二號M在(zai)設計建造(zao)過(guo)程中，通過(guo)與(yu)國際上現有(you)托卡馬(ma)克裝置的(de)(de)交流學習，吸取了(le)許多設計建造(zao)與(yu)運(yun)行托卡馬(ma)克的(de)(de)成功經驗。

鐘(zhong)武律還(huan)舉了(le)(le)核西物(wu)院研發ITER第(di)一壁采購包半原(yuan)型(xing)部件的(de)例(li)子。“這是(shi)(shi)中(zhong)國(guo)(guo)團(tuan)隊承(cheng)擔的(de)一份高難度任(ren)務(wu)。當時(shi)世(shi)(shi)界(jie)上(shang)滿足(zu)ITER第(di)一壁特殊材(cai)(cai)料要(yao)求的(de)只有(you)(you)美國(guo)(guo)。我(wo)院的(de)科研團(tuan)隊聯合(he)國(guo)(guo)內有(you)(you)關單(dan)位通過(guo)十多(duo)(duo)年(nian)(nian)的(de)努力，不僅在(zai)(zai)特殊材(cai)(cai)料的(de)制備上(shang)，而且在(zai)(zai)焊接工藝等多(duo)(duo)項技術上(shang)取得了(le)(le)突破，2016年(nian)(nian)成功研制的(de)ITER超熱負荷第(di)一壁半原(yuan)型(xing)部件在(zai)(zai)國(guo)(guo)際上(shang)率先通過(guo)認證，也讓中(zhong)國(guo)(guo)在(zai)(zai)這個技術上(shang)達到世(shi)(shi)界(jie)先進水平。”鐘(zhong)武律說，“目前(qian)中(zhong)國(guo)(guo)承(cheng)擔的(de)ITER采購包，不管(guan)是(shi)(shi)在(zai)(zai)研發進度還(huan)是(shi)(shi)在(zai)(zai)完(wan)成質量(liang)方面，都處于七方的(de)前(qian)列(lie)。在(zai)(zai)國(guo)(guo)際聚變舞臺上(shang)，中(zhong)國(guo)(guo)有(you)(you)了(le)(le)更大(da)的(de)話語權。”

對中國可控核聚變實(shi)力的(de)(de)(de)認可，還在不斷升級(ji)。2019年9月30日，ITER主機(ji)安裝(zhuang)一(yi)號合(he)同在北京簽約，由中核集團牽頭(tou)的(de)(de)(de)中法聯合(he)體(ti)中標該工(gong)(gong)程(cheng)。這(zhe)個工(gong)(gong)程(cheng)安裝(zhuang)的(de)(de)(de)是ITER裝(zhuang)置最重(zhong)要的(de)(de)(de)核心設備，其重(zhong)要性相(xiang)當于核電站的(de)(de)(de)反應堆、人體(ti)里的(de)(de)(de)心臟。這(zhe)是有(you)史(shi)以來中國企業在歐洲市場中標的(de)(de)(de)最大核能(neng)工(gong)(gong)程(cheng)項目(mu)合(he)同。

ITER組織總干事比戈說(shuo)：“我(wo)們很(hen)高興找到了(le)高素質的積極的合作(zuo)伙伴來完(wan)成這項工作(zuo)。我(wo)們期待(dai)著與世(shi)界(jie)知名的行(xing)業專家(jia)合作(zuo)，按(an)時、按(an)規格(ge)安裝世(shi)界(jie)上最具(ju)挑戰(zhan)性(xing)、最有前(qian)途和最重(zhong)要的科學設(she)備(bei)之(zhi)一。”

“通過國(guo)際競標(biao)拿到了(le)(le)ITER項目最核(he)心部分的(de)安裝(zhuang)工(gong)程，證明(ming)我們(men)的(de)團(tuan)(tuan)隊(dui)在世界(jie)上是領先(xian)的(de)。”中核(he)集團(tuan)(tuan)董事長(chang)余劍(jian)鋒豪情滿懷地總結(jie)道(dao)，“這(zhe)也標(biao)志著我們(men)國(guo)家在核(he)電事業，在核(he)能工(gong)程的(de)建設安裝(zhuang)方(fang)面，達到了(le)(le)世界(jie)先(xian)進水平。”（記者 韓(han)維正 劉樂藝）

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