中國“人造太陽”如何突破“卡脖子”
本報記者 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，是人類長久以來的夢想。中國在利用受控核聚變去“種太陽”方面已經走在世界前列。2020年12月，由中核集團核工業西南物理研究院聚變科學所研製的新一代“人造太陽”——中國環流器二號M裝置（HL-2M）實現首次放電。承擔這一高精尖科學項目的76人隊伍中，有57人為35週歲以下的青年人。今年五四青年節，這支勇攀科技高峯的隊伍榮獲第26屆“中國青年五四獎章集體”。《環球時報》記者近日專訪了中國“種太陽”團隊，聽他們講述如何在國外的技術封鎖下，實現中國“聚變能源夢”的故事。
核心部件都是中國自主設計製造
中核集團核工業西南物理研究院聚變科學所副所長鍾武律接受《環球時報》記者專訪時表示，“‘人造太陽’以其資源豐富、環境友好和固有安全性等優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境問題的有效途徑，對我國經濟社會發展、工業建設具有重要戰略意義。”
但相較於核裂變原理在核電站中的成熟應用，人類想要“駕馭”熱核聚變反應，卻面臨着諸多難題與挑戰。
鍾武律介紹稱，核聚變發生的條件非常苛刻，這個過程首先需要在極度高温的條件中進行，“原子核必須具備足夠高的動能，如温度達到上億度，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揮主要作用”。此外還需要創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生核聚變反應的概率”。而想要實現可控核聚變還需要維持一個較長的能量約束時間，“將高温高密度的核反應條件維持足夠長的時間，才能使核聚變反應得以持續進行”。
在鍾武律看來，雖然核聚變的原理説起來簡單，但開發核聚變能卻是對人類的科學與技術極限的挑戰，因為這要求在人工控制條件下，等離子體的離子温度、密度與能量約束時間“三乘積”必須達到一定值。在科學上，將維持核聚變反應堆中能量平衡的這個特殊條件被稱為“勞森判據”。“只有核聚變反應釋放出足夠多的能量，才可維持核聚變反應堆的運轉並有可觀的能量輸出，使聚變反應持續進行。”
根據中國核能發展“熱堆-快堆-聚變堆”三步走戰略，中國的目標是自主研發核聚變能反應堆。其中，新一代“人造太陽”是我國開發核聚變能的重要舉措，它標誌着我國自主掌握了大型先進託卡馬克裝置的設計、建造、運行技術，將為下一步我國自主設計、建造聚變堆奠定堅實基礎。
鍾武律介紹稱，新一代“人造太陽”是我國目前規模最大、參數能力最高的磁約束核聚變實驗研究裝置，它採用先進的結構與控制方式，等離子體體積達到國內現有裝置2倍以上，等離子體電流能力提高到2.5兆安培以上，等離子體離子温度可達到1.5億度，能實現高密度、高比壓、高自舉電流運行。該裝置同時也是目前國際上首個具備在兆安培等離子體電流下實現多種先進偏濾器位形能力的核聚變先進研究平台。“裝置的核心部件都是中國自主設計製造，它是實現我國核聚變能開發事業跨越式發展的重要依託裝置，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）技術不可或缺的重要平台。”▲
突破技術封鎖，提升中國製造
據《環球時報》記者瞭解，新一代“人造太陽”由真空室、線圈系統、發電機組和支撐結構等核心部件組成。在這個中國“人造太陽”背後，有着一連串打破國外技術封鎖、填補國內空白的勵志故事。
以真空室為例，該裝置為“人造太陽”放電實驗提供超真空環境，用來盛裝上億度高温等離子體，比宇宙空間環境的真空度還要低好幾個數量級。設計研發初期，“種太陽”團隊走訪了10餘家大型製造企業，均因該設備的設計精度高、製造難度大、薄壁件焊接變形控制難、國內無相關經驗等原因被告知無法加工。團隊將科學設計參數細化為一張張可實現的工程圖紙，以共同研發和手把手教學的方式指導廠家加工。經過6年艱難探索，團隊製造出我國首台D形截面特材雙層雙曲率薄壁件全焊接環狀超高真空容器，相關工藝和技術指標達到國際領先水平。
線圈系統為“人造太陽”裝置放電實驗提供約地球磁場5萬倍的強磁場，用以精確和穩定地控制上億度高温等離子體。按照最初的設計方案，線圈製造原採用“利舊改造”的方案。隨着建設的深入和國際核聚變研究的快速發展，研發團隊發現，如果採用“全新研製”，在設計參數上能確保達到國際先進水平，甚至實現部分領跑，但研製風險極高、創新可能失敗。面對兩難選擇，團隊以大量的科學計算和分析為依據，選擇了更具挑戰的“全新研製”。他們首創了國內最大運行電流強磁場D形比特板式可拆分環向場線圈，突破國內大截面外方內圓異形無氧銅管原有產能極限，獨創性地掌握了國內大尺寸異形高強度鉻鋯銅材製造技術，多項工藝領先國外一流裝置。
發電機組是為“人造太陽”提供運行動力的巨型“充電寶”，單次釋能可達1300兆焦，其功率與秦山一期核電站相當。研製團隊攻克了超大功率滑差調節、大型立式六相脈衝發電機電氣制動等技術，研製出國內首台完全自主知識產權的大型立軸脈衝發電機組，其發電量可負擔一座百萬級人口城市的基本用電量，部分指標同樣領跑國際水平。
鍾武律介紹稱，為確保裝置的性能滿足在堆芯級等離子體參數條件下開展物理實驗研究的需要，“人造太陽”的工程技術難度及工藝複雜性大幅增加，不斷挑戰着國內相關工程技術水平極限。“美國曾以核心技術為由禁售建設‘人造太陽’所需的高強度膨脹螺栓。面對這個必須解決的‘卡脖子’難題，我們從浩瀚的文獻資料中找突破口，經過數百種材料比對和上千次的試製，終於攻克了關鍵技術，打破了國外封鎖，製造出國內無生產先例的大尺寸高強度膨脹螺栓，將生產成本降低近90%，極大節約了科研經費。”
也正是通過這種高強度的技術攻關，“人造太陽”研發團隊掌握多項核心技術，通過與國有大型企業合力攻關，極大提升了企業複雜產品的研發能力和裝備製造水平，在推進技術創新的同時，也帶動了產業技術升級。▲
深化國際合作，貢獻中國力量
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）項目啓動協定，該項目是目前全球規模最大、影響最深遠的國際大科學工程之一, 同時也是中國以平等身份參加的最大國際科技合作項目。
據鍾武律介紹，該項目同時也是“人造太陽”的研發團隊與日、俄、歐盟等30多個世界主要核聚變研究機構及國際組織合作項目中規模最大的一個項目。“中國以‘平等夥伴’身份加入ITER計劃，貢獻比例約佔9%，其中70%以上以實物貢獻方式，即研發製造ITER裝置部件，中方按時、高標準、高質量交付了有關任務，採購包完成質量與進度均走在ITER七方前列，有力推動了項目實施，得到參與各方充分肯定。”
鍾武律認為，中國參與ITER這樣的國際大科學計劃，無疑也提升了中國牽頭國際大科學工程的能力。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計、建造、運行已有的成功經驗，補強短板。“參加ITER計劃是我國磁約束核聚變能研發計劃中關鍵一步。立足我國磁約束核聚變研究現狀，在中國建造未來聚變堆，當下還面臨一些關鍵科學與技術挑戰，下一步我國核聚變的發展應充分利用ITER 的建設與運行，重點進行人才培養與技術儲備，加速開展ITER未涵蓋的未來聚變堆關鍵技術攻關，有效解決自主設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業發展格局。”
鍾武律同時表示，參與ITER的十多年間，中國的聚變研究也已經從技術“跟跑”“並跑”達到了部分“領跑”，新一代“人造太陽”作為消化、吸收ITER技術的重要平台，十年間也培養鍛鍊了一批具有參與大科學工程能力的高水平科技人才，“黨中央加快建設世界重要人才中心和創新高地，完善人才發展體制機制，加大對青年科研人員支持力度，讓各類人才潛心鑽研、盡展其能。這些舉措對過去十年中國科技創新發展的鉅變起到了重要推動作用。”▲