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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）

萬物生長靠太(tai)陽(yang)。今(jin)天支(zhi)撐人(ren)類社會運轉的(de)幾乎一切能(neng)源，從煤、石油、天然氣，到風能(neng)、生物能(neng)，其本質(zhi)都是(shi)太(tai)陽(yang)能(neng)，而太(tai)陽(yang)上的(de)能(neng)量來自內(nei)部的(de)核聚(ju)變反應(ying)。

就像兒歌(ge)中所唱的，“我有一(yi)個美麗的愿望，長(chang)大(da)以后能播(bo)種太陽(yang)”，長(chang)久以來(lai)，人(ren)類(lei)一(yi)直希望通過可控核聚變(bian)反應，來(lai)創造(zao)出“人(ren)造(zao)太陽(yang)”，從而(er)獲得源(yuan)源(yuan)不絕的能源(yuan)，大(da)幅改(gai)善人(ren)們的生(sheng)活。

就在前不久，中(zhong)國核(he)(he)(he)工業集團(tuan)宣布，新一代可控(kong)(kong)核(he)(he)(he)聚變研(yan)究裝(zhuang)置(zhi)(zhi)“中(zhong)國環(huan)流(liu)器(qi)二號M”，預(yu)計于2020年投入運(yun)行。中(zhong)核(he)(he)(he)集團(tuan)核(he)(he)(he)工業西南(nan)物理研(yan)究院院長段旭如(ru)表示，該實(shi)驗裝(zhuang)置(zhi)(zhi)的(de)建成將為(wei)人(ren)類真正掌(zhang)握可控(kong)(kong)核(he)(he)(he)聚變提(ti)供重要技術支撐。我(wo)們(men)距離“人(ren)造太陽”的(de)夢想(xiang)，又近了一步。

源源不絕的清潔能源

眾(zhong)所(suo)周知(zhi)，石(shi)油是工業(ye)的(de)血液。但以石(shi)油為(wei)代(dai)表的(de)化(hua)石(shi)能源(yuan)，有兩個繞(rao)不開(kai)的(de)問(wen)題：一是不可再(zai)生(sheng)，二是污(wu)染。即(ji)便(bian)頁(ye)巖氣、可燃冰等(deng)新型能源(yuan)被不斷開(kai)發(fa)，但歸(gui)根結底(di)都(dou)有消(xiao)耗殆盡(jin)的(de)一天。而目前(qian)的(de)核(he)裂(lie)變能也(ye)存在著反應原料（鈾等(deng)）有限(xian)、核(he)廢料放(fang)射性污(wu)染的(de)問(wen)題。

有沒有一(yi)種能源(yuan)，既無(wu)窮無(wu)盡(jin)，又清潔環(huan)保？還真有一(yi)個，就是可控核聚變(bian)。

從“進(jin)口”上說，可(ke)控核聚變(bian)所需的反應(ying)原料（氘(dao)原子(zi)和氚原子(zi)），在(zai)地球上非常豐富。氘(dao)在(zai)海水中(zhong)儲(chu)量極大(da)，1公(gong)升海水里提取出的氘(dao)，在(zai)完(wan)全的聚變(bian)反應(ying)中(zhong)可(ke)釋(shi)放(fang)相當(dang)于(yu)燃燒300公(gong)升汽油的能量；而氚可(ke)通(tong)過中(zhong)子(zi)與鋰反應(ying)生成，在(zai)地殼和海水中(zhong)，鋰都是大(da)量存在(zai)的。

從(cong)“出(chu)口”上(shang)說，可(ke)控(kong)核(he)聚變的(de)產物為氦和(he)中(zhong)子，不排放有(you)害氣體，也幾乎沒有(you)放射性(xing)污染，具有(you)環境友好(hao)的(de)優點。

“核聚變能一旦實現和平(ping)利(li)用，地球上的能源(yuan)將(jiang)取之不盡用之不竭，因(yin)能源(yuan)短缺帶來的社會問題可(ke)得到(dao)徹底解決，人們的生(sheng)活水(shui)平(ping)也將(jiang)因(yin)此而(er)(er)得到(dao)極大提高。”段旭如說，像海水(shui)淡化、星際飛船(chuan)這類(lei)工程，過去因(yin)耗能太(tai)大而(er)(er)令人們猶豫不決，而(er)(er)未來在可(ke)控核聚變能的支(zhi)持下，都將(jiang)能夠更快發展。

不僅零污(wu)染、用不完，可(ke)控核(he)聚(ju)變還(huan)有(you)另一(yi)個重(zhong)要(yao)特點(dian)：固有(you)安全性。許多人一(yi)想到(dao)用核(he)能發電，就會(hui)想到(dao)切(qie)爾諾貝利核(he)事故(gu)或(huo)者福(fu)島(dao)核(he)事故(gu)，從而有(you)了“恐(kong)核(he)”心理(li)，談核(he)色變。事實(shi)上(shang)，核(he)聚(ju)變反應需要(yao)氘氚燃料達到(dao)上(shang)億(yi)攝(she)氏度(du)(du)的高(gao)溫(wen)和足夠高(gao)的密度(du)(du)等(deng)苛(ke)刻條(tiao)件，任何一(yi)點(dian)細微條(tiao)件的缺失，都會(hui)導(dao)致(zhi)溫(wen)度(du)(du)密度(du)(du)的下降(jiang)，致(zhi)使聚(ju)變反應停止。

然而，世界上仍然有許多環保機構公開指責核聚變所存(cun)在的(de)安全隱患，包括(kuo)產生核廢料(liao)以及核泄漏的(de)風險。對此(ci)，段旭如解釋：“由(you)于燃燒的(de)氘(dao)氚等離子體被(bei)磁場約(yue)束在真空(kong)容器內，其密度比(bi)空(kong)氣低(di)數個量級(ji)，聚變堆氘(dao)氚燃料(liao)含量也(ye)較低(di)，因此(ci)不(bu)會引起爆炸，也(ye)不(bu)會導致泄漏事故。”

理想很(hen)美好(hao)，但實現起(qi)來并不(bu)容易。一個最(zui)明(ming)顯(xian)的問題，就是用(yong)什么容器來承(cheng)載(zai)核聚變(bian)。

據段旭如介紹，在(zai)地球(qiu)上利用核(he)聚變能，要求在(zai)人工控(kong)制條件(jian)下等離(li)子體的(de)離(li)子溫(wen)(wen)度(du)達到1億攝氏(shi)度(du)以(yi)上。“1億度(du)是什么(me)概念？太(tai)陽的(de)核(he)心溫(wen)(wen)度(du)大(da)概在(zai)1500萬(wan)度(du)至2000萬(wan)度(du)；而地球(qiu)上最耐高(gao)溫(wen)(wen)的(de)金屬材(cai)料鎢(wu)在(zai)3000多度(du)就(jiu)會熔化。1億度(du)，已經超過太(tai)陽核(he)心溫(wen)(wen)度(du)的(de)5至6倍了(le)。”中核(he)集團核(he)工業西南物(wu)理研究(jiu)院特聘研究(jiu)員鐘武律解(jie)釋說(shuo)，“在(zai)地球(qiu)上，沒有(you)任何材(cai)料可以(yi)把1億度(du)高(gao)溫(wen)(wen)的(de)等離(li)子體給直接包裹起(qi)來。”

不(bu)過這個問題還(huan)是難不(bu)倒人類科(ke)學家(jia)，他(ta)們(men)“無招勝有招”，想出(chu)(chu)了用強磁場(chang)來約束高(gao)溫(wen)核聚變燃(ran)料的(de)(de)辦(ban)法(fa)。但具體用什么(me)裝置來實(shi)現，還(huan)要繼續(xu)探(tan)索。從(cong)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)技術路線此消彼長。競(jing)爭延(yan)續(xu)到了1960年代，最終由蘇聯科(ke)學家(jia)提出(chu)(chu)的(de)(de)托卡(ka)馬(ma)克方(fang)案異軍(jun)突起，效果驚人，國際聚變界的(de)(de)重點研究方(fang)向(xiang)隨之(zhi)轉向(xiang)了托卡(ka)馬(ma)克。

攻堅克難的核聚變人

當世界的可控核(he)聚變(bian)研究如火如荼時，中國“人(ren)造太陽(yang)”的建設也沒有掉隊。早在1955年，錢(qian)三強和(he)剛留美歸(gui)來(lai)的李(li)正武等科學家(jia)便(bian)提議開展中國的“可控熱核(he)反應”研究，這與國際社會關注核(he)聚變(bian)幾乎(hu)同(tong)步(bu)。

1965年(nian)，根據國(guo)家“三線”建設(she)統一規劃，在(zai)四川省(sheng)樂山市郊區，建立了當時中國(guo)最大的核聚變研究(jiu)基地——西(xi)南物理(li)研究(jiu)所，這也是中核集團核工(gong)業西(xi)南物理(li)研究(jiu)院（以下簡稱(cheng)“核西(xi)物院”）的前身。

而中(zhong)(zhong)國核聚(ju)變(bian)研究史上的重要里(li)程碑(bei)，當屬1984年(nian)中(zhong)(zhong)國環流(liu)器一號（HL－1）的建成。這(zhe)是中(zhong)(zhong)國核聚(ju)變(bian)領域的第(di)一座大科(ke)學裝(zhuang)置，它為中(zhong)(zhong)國自主設計、建造、運行“人造太陽”培養(yang)了(le)大批人才，積累了(le)豐(feng)富經(jing)驗。

上(shang)世紀80年代，作(zuo)家(jia)莫然曾造訪(fang)位于(yu)108級石(shi)梯之(zhi)高的(de)荒山(shan)上(shang)的(de)研究(jiu)(jiu)所(suo)。據她(ta)回憶，剛搬遷至(zhi)樂(le)山(shan)時，所(suo)里(li)條件簡陋，可(ke)謂一(yi)貧如(ru)洗。研究(jiu)(jiu)者缺乏住所(suo)，甚至(zhi)只能睡在帳篷里(li)。但中國可(ke)控核聚變研究(jiu)(jiu)的(de)“搖籃”恰恰是誕生在這樣(yang)(yang)艱苦的(de)環境(jing)中，這離不(bu)開研究(jiu)(jiu)者開荒拓土、篳路(lu)藍縷之(zhi)功(gong)。正(zheng)如(ru)莫然所(suo)說：“盡管研究(jiu)(jiu)所(suo)的(de)房間就像山(shan)洞(dong)一(yi)樣(yang)(yang)，但我們(men)的(de)科學(xue)家(jia)具有(you)舍己的(de)奉獻精(jing)神(shen)，就在那(nei)樣(yang)(yang)的(de)環境(jing)中，他們(men)制造出了‘中國環流(liu)器一(yi)號’，光設計圖紙就有(you)3層(ceng)樓那(nei)樣(yang)(yang)高。”

從(cong)此，中(zhong)國(guo)(guo)磁約束聚變(bian)一步步從(cong)無(wu)到(dao)有，從(cong)小到(dao)大，從(cong)弱到(dao)強。1995年中(zhong)國(guo)(guo)第(di)一個超(chao)導(dao)托卡馬(ma)克裝(zhuang)置(zhi)HT-7在合肥建成；2002年中(zhong)國(guo)(guo)建成第(di)一個具有偏濾器位(wei)形的托卡馬(ma)克裝(zhuang)置(zhi)中(zhong)國(guo)(guo)環(huan)流(liu)器二號 A（HL－2A）；2006年，世界上第(di)一個全超(chao)導(dao)托卡馬(ma)克裝(zhuang)置(zhi)東方(fang)超(chao)環(huan)（EAST）首次(ci)等離子體放電成功……

而預(yu)計2020年投入運行的(de)“中國(guo)環流器二(er)號(hao)M”裝置將(jiang)成為(wei)中國(guo)規模最大、參(can)數(shu)最高的(de)磁約(yue)束可控核聚變實(shi)驗研(yan)究裝置，其等離子體體積為(wei)中國(guo)現(xian)有裝置的(de)2倍以(yi)上，離子溫度將(jiang)達到1億攝氏度以(yi)上，可將(jiang)電(dian)流從中國(guo)現(xian)有裝置的(de)1兆(zhao)安培(pei)提高到3兆(zhao)安培(pei)。

作為(wei)一個歷經多(duo)(duo)年研制的(de)實驗項目(mu)，中國環流器二(er)號M精細(xi)的(de)部件工(gong)藝很多(duo)(duo)都是前無(wu)古人的(de)創造(zao)。就像在裝(zhuang)置設備(bei)“真空(kong)室”中，許多(duo)(duo)細(xi)小的(de)誤差是現有檢測儀(yi)器所無(wu)法感(gan)知的(de)，很多(duo)(duo)時候甚至(zhi)需(xu)要自主開發(fa)新的(de)檢驗設備(bei)，因(yin)為(wei)連塵埃般(ban)大小的(de)缺(que)陷都會影響最(zui)終(zhong)的(de)實驗結果。

為了保障(zhang)中(zhong)心柱這個高(gao)約2層樓、重約80噸的(de)裝(zhuang)置設備在(zai)移(yi)動過(guo)程中(zhong)不(bu)受磕碰，且(qie)安裝(zhuang)精(jing)度(du)不(bu)超過(guo)0.1毫米偏(pian)差，二號M裝(zhuang)置線(xian)圈團隊(dui)在(zai)1個月內做了十(shi)幾種方案，短短2分鐘(zhong)的(de)路程，研究團隊(dui)最終耗費了近9個小時才(cai)成功完成搬運。“移(yi)動中(zhong)，大家像呵護寶貝(bei)一樣。”項目線(xian)圈組(zu)負責人劉曉(xiao)龍說，“還不(bu)錯，我們(men)成功了。”

“既然把任務交(jiao)給(gei)我們(men)這個(ge)團隊了(le)，我們(men)就(jiu)有(you)(you)義務把事情做好，給(gei)中核集團、給(gei)核工業乃至(zhi)國家一個(ge)交(jiao)代。”中國環流器二號M裝置項目經理劉(liu)永(yong)的話(hua)擲地有(you)(you)聲。

走向國際的中國團隊

可(ke)控核聚變研究非常困難，難到(dao)什(shen)么(me)程度？鐘武律給我們做了(le)(le)一個比(bi)較：“世界上第一顆原子彈爆炸以后(hou)，不(bu)到(dao)十年核裂變就(jiu)實現了(le)(le)和平利用(yong)(yong)，建成(cheng)了(le)(le)核電站。科學(xue)家們想，氫彈成(cheng)功以后(hou)，應(ying)該也用(yong)(yong)不(bu)了(le)(le)多長時間就(jiu)能(neng)夠實現核聚變的和平利用(yong)(yong)，實現可(ke)控核聚變。但(dan)后(hou)來的研究發現，并沒(mei)有那(nei)么(me)簡單，它需要全世界的科學(xue)家一起(qi)來努力(li)完成(cheng)。”

于是(shi)(shi)就有了2006年國際(ji)熱(re)核聚(ju)變實(shi)驗堆（ITER）計(ji)劃的(de)簽署。由中(zhong)(zhong)國、美國、歐盟、俄羅斯、日本、韓國和印度七(qi)方參與，計(ji)劃在法國南部普羅旺斯地區共同建(jian)造一個世(shi)界上最大(da)的(de)托卡馬克裝置。ITER是(shi)(shi)目前全球影響最深(shen)遠且最大(da)的(de)國際(ji)合作項目之一，也(ye)是(shi)(shi)中(zhong)(zhong)國以(yi)平(ping)等身份參加(jia)的(de)最大(da)國際(ji)科技(ji)合作項目。其中(zhong)(zhong)，中(zhong)(zhong)國承擔了大(da)概9%的(de)采購包研發任務。

“我國(guo)這些年磁約束(shu)聚變研究進展得益(yi)于參加ITER計(ji)劃。”段旭如說(shuo)，比如中國(guo)環流(liu)(liu)器二號M在設(she)計(ji)建(jian)造(zao)過程中，通過與國(guo)際上現(xian)有(you)托卡馬(ma)克裝(zhuang)置的交流(liu)(liu)學習，吸取了許多設(she)計(ji)建(jian)造(zao)與運行托卡馬(ma)克的成功(gong)經驗。

鐘(zhong)武律還舉了(le)(le)核西物院研發ITER第(di)一(yi)壁采購包(bao)半原型部(bu)件(jian)的(de)例(li)子。“這(zhe)是中國(guo)(guo)團隊(dui)承擔的(de)一(yi)份(fen)高難度(du)任務(wu)。當時世界上(shang)滿足ITER第(di)一(yi)壁特(te)殊(shu)材(cai)料(liao)(liao)要(yao)求(qiu)的(de)只(zhi)有(you)美國(guo)(guo)。我(wo)院的(de)科研團隊(dui)聯合(he)國(guo)(guo)內有(you)關單位通(tong)(tong)過十多年的(de)努力(li)，不(bu)僅在特(te)殊(shu)材(cai)料(liao)(liao)的(de)制(zhi)備上(shang)，而且在焊接工藝等多項技(ji)(ji)術上(shang)取得(de)了(le)(le)突破，2016年成功(gong)研制(zhi)的(de)ITER超熱負荷第(di)一(yi)壁半原型部(bu)件(jian)在國(guo)(guo)際上(shang)率(lv)先通(tong)(tong)過認證，也讓(rang)中國(guo)(guo)在這(zhe)個技(ji)(ji)術上(shang)達到(dao)世界先進(jin)水平。”鐘(zhong)武律說，“目前(qian)中國(guo)(guo)承擔的(de)ITER采購包(bao)，不(bu)管(guan)是在研發進(jin)度(du)還是在完成質(zhi)量方面，都(dou)處于七(qi)方的(de)前(qian)列。在國(guo)(guo)際聚變舞臺上(shang)，中國(guo)(guo)有(you)了(le)(le)更大的(de)話語權(quan)。”

對中(zhong)(zhong)國(guo)可控核聚(ju)變實力的(de)認可，還在不斷升級。2019年9月30日，ITER主機安裝(zhuang)(zhuang)一號合同(tong)在北京(jing)簽約，由中(zhong)(zhong)核集團牽頭的(de)中(zhong)(zhong)法聯合體中(zhong)(zhong)標(biao)該工程(cheng)。這(zhe)個工程(cheng)安裝(zhuang)(zhuang)的(de)是ITER裝(zhuang)(zhuang)置最重(zhong)要的(de)核心(xin)設備，其重(zhong)要性相(xiang)當于核電站的(de)反(fan)應堆、人(ren)體里的(de)心(xin)臟。這(zhe)是有史以來中(zhong)(zhong)國(guo)企(qi)業在歐洲市場(chang)中(zhong)(zhong)標(biao)的(de)最大核能(neng)工程(cheng)項目合同(tong)。

ITER組織(zhi)總干事比戈說：“我們很高興(xing)找到了(le)高素質的(de)積極的(de)合作伙伴(ban)來完(wan)成這項工作。我們期待著與(yu)世(shi)界(jie)知名的(de)行業專家合作，按時、按規格(ge)安(an)裝世(shi)界(jie)上最具挑戰性(xing)、最有前途和最重要(yao)的(de)科學設備之(zhi)一(yi)。”

“通過國際競標拿到(dao)了ITER項目(mu)最核(he)(he)心部分(fen)的(de)(de)安(an)裝工程，證明我(wo)們的(de)(de)團隊在(zai)(zai)世(shi)界(jie)上是(shi)領(ling)先的(de)(de)。”中核(he)(he)集團董(dong)事長余劍鋒豪(hao)情滿(man)懷地總結道，“這也標志著我(wo)們國家在(zai)(zai)核(he)(he)電事業，在(zai)(zai)核(he)(he)能工程的(de)(de)建設安(an)裝方面(mian)，達到(dao)了世(shi)界(jie)先進水平。”（記者 韓維正 劉(liu)樂藝）

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