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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(wan)物生(sheng)長靠太陽(yang)(yang)。今(jin)天(tian)支撐人類(lei)社(she)會運轉的(de)幾乎一切能(neng)源，從煤、石油、天(tian)然氣，到(dao)風能(neng)、生(sheng)物能(neng)，其(qi)本(ben)質都是(shi)太陽(yang)(yang)能(neng)，而太陽(yang)(yang)上的(de)能(neng)量(liang)來自(zi)內部的(de)核聚變(bian)反應。

就像兒歌中所唱(chang)的，“我有一個美麗的愿(yuan)望(wang)，長大以后能播種太陽(yang)”，長久以來(lai)，人(ren)(ren)(ren)類一直(zhi)希(xi)望(wang)通(tong)過可控核聚(ju)變反應，來(lai)創造出“人(ren)(ren)(ren)造太陽(yang)”，從(cong)而(er)獲(huo)得源源不絕(jue)的能源，大幅改善人(ren)(ren)(ren)們的生活(huo)。

就在(zai)前不久，中(zhong)(zhong)國(guo)核(he)(he)工業集團宣布，新一(yi)代(dai)可控核(he)(he)聚(ju)變研究(jiu)裝(zhuang)置(zhi)“中(zhong)(zhong)國(guo)環流(liu)器(qi)二(er)號(hao)M”，預計于2020年投入運行。中(zhong)(zhong)核(he)(he)集團核(he)(he)工業西南物理研究(jiu)院(yuan)院(yuan)長段(duan)旭如表示，該(gai)實驗裝(zhuang)置(zhi)的(de)建成將(jiang)為人類(lei)真(zhen)正掌(zhang)握可控核(he)(he)聚(ju)變提供(gong)重要技術支(zhi)撐。我們距離“人造太陽”的(de)夢想，又近了一(yi)步(bu)。

源源不絕的清潔能源

眾(zhong)所(suo)周知(zhi)，石(shi)油是工業的血液(ye)。但(dan)以(yi)石(shi)油為代(dai)表的化(hua)石(shi)能(neng)源(yuan)，有兩個繞(rao)不開的問題(ti)：一是不可(ke)再(zai)生，二是污染(ran)。即便頁巖氣、可(ke)燃冰(bing)等新型(xing)能(neng)源(yuan)被不斷開發，但(dan)歸根結底(di)都有消耗殆盡的一天。而目前的核(he)裂(lie)變能(neng)也存在著(zhu)反(fan)應原料(liao)（鈾等）有限(xian)、核(he)廢料(liao)放射性污染(ran)的問題(ti)。

有(you)沒有(you)一種能源，既(ji)無窮無盡，又清潔(jie)環保？還真(zhen)有(you)一個，就是可控(kong)核聚變。

從(cong)“進口”上說，可控核聚變(bian)所需的反(fan)(fan)應原(yuan)料(liao)（氘(dao)原(yuan)子和氚原(yuan)子），在(zai)地(di)球上非常豐富。氘(dao)在(zai)海(hai)水(shui)中儲量(liang)極大，1公升海(hai)水(shui)里(li)提取(qu)出的氘(dao)，在(zai)完全的聚變(bian)反(fan)(fan)應中可釋放相當于燃燒300公升汽油的能量(liang)；而(er)氚可通過中子與(yu)鋰(li)反(fan)(fan)應生(sheng)成，在(zai)地(di)殼和海(hai)水(shui)中，鋰(li)都(dou)是大量(liang)存在(zai)的。

從“出(chu)口(kou)”上說，可控核聚變的(de)產(chan)物(wu)為氦和中(zhong)子(zi)，不排放有(you)(you)害(hai)氣(qi)體，也(ye)幾乎沒有(you)(you)放射(she)性污染，具(ju)有(you)(you)環境友好的(de)優點(dian)。

“核聚變能(neng)一旦實現和平利用(yong)(yong)，地(di)球上的(de)(de)能(neng)源(yuan)將(jiang)取之(zhi)(zhi)不(bu)盡(jin)用(yong)(yong)之(zhi)(zhi)不(bu)竭，因(yin)能(neng)源(yuan)短缺帶(dai)來的(de)(de)社會問題可得到徹底解決，人(ren)們的(de)(de)生活水平也將(jiang)因(yin)此(ci)而(er)得到極大提高。”段旭如(ru)說(shuo)，像海水淡化、星際飛船這類工程，過(guo)去(qu)因(yin)耗能(neng)太大而(er)令(ling)人(ren)們猶豫不(bu)決，而(er)未來在可控核聚變能(neng)的(de)(de)支(zhi)持下，都將(jiang)能(neng)夠更(geng)快發展。

不僅零污染(ran)、用(yong)不完，可控核聚(ju)變(bian)(bian)還(huan)有另一個重(zhong)要(yao)特點：固有安全性。許多人一想(xiang)(xiang)到(dao)用(yong)核能(neng)發電，就會想(xiang)(xiang)到(dao)切爾(er)諾(nuo)貝利(li)核事(shi)故或者福島核事(shi)故，從而有了“恐核”心理，談核色(se)變(bian)(bian)。事(shi)實上，核聚(ju)變(bian)(bian)反應需要(yao)氘氚燃料達到(dao)上億攝氏(shi)度(du)的高溫和足夠(gou)高的密(mi)度(du)等(deng)苛(ke)刻條(tiao)件(jian)，任何一點細微條(tiao)件(jian)的缺失(shi)，都會導致溫度(du)密(mi)度(du)的下降，致使聚(ju)變(bian)(bian)反應停止。

然而，世(shi)界上仍(reng)然有(you)許多環保機構公開(kai)指責核聚變所存在(zai)的(de)(de)安全隱(yin)患，包(bao)括產生核廢(fei)料以及核泄漏的(de)(de)風險。對(dui)此，段旭如解釋：“由于燃燒的(de)(de)氘(dao)氚等離子體被磁場約束在(zai)真空容器(qi)內，其密度比空氣(qi)低數個(ge)量級，聚變堆(dui)氘(dao)氚燃料含量也較低，因此不會引起爆炸，也不會導(dao)致(zhi)泄漏事故。”

理想很美好，但實(shi)現起來(lai)并不容易。一(yi)個(ge)最明(ming)顯的問題，就是用什么容器來(lai)承(cheng)載(zai)核聚變。

據段旭(xu)如(ru)介紹，在(zai)地球(qiu)上(shang)利用核(he)(he)聚變(bian)能，要求在(zai)人工控制條件下等離子體的(de)離子溫度(du)達到1億(yi)攝氏(shi)度(du)以上(shang)。“1億(yi)度(du)是什(shen)么概念？太陽的(de)核(he)(he)心(xin)溫度(du)大概在(zai)1500萬度(du)至2000萬度(du)；而地球(qiu)上(shang)最耐高溫的(de)金屬(shu)材料(liao)(liao)鎢在(zai)3000多度(du)就(jiu)會(hui)熔化。1億(yi)度(du)，已(yi)經(jing)超過太陽核(he)(he)心(xin)溫度(du)的(de)5至6倍了(le)。”中核(he)(he)集團核(he)(he)工業西南物理研(yan)究院特聘(pin)研(yan)究員鐘武律解釋說，“在(zai)地球(qiu)上(shang)，沒有任(ren)何材料(liao)(liao)可(ke)以把1億(yi)度(du)高溫的(de)等離子體給直接包裹起來。”

不(bu)過這個問題還是難不(bu)倒人類(lei)科學(xue)家，他們“無招(zhao)(zhao)勝(sheng)有招(zhao)(zhao)”，想出了用強磁場(chang)來約束高溫核聚變燃(ran)料的辦法(fa)。但具體用什么裝置來實現，還要繼(ji)續(xu)(xu)探索。從20世(shi)紀50年代(dai)(dai)開始(shi)，英、美、蘇等(deng)(deng)國科學(xue)家前赴后繼(ji)，快箍縮、磁鏡、仿星(xing)器等(deng)(deng)不(bu)同(tong)的技術路(lu)線此消彼長(chang)。競爭延續(xu)(xu)到了1960年代(dai)(dai)，最(zui)終(zhong)由(you)蘇聯科學(xue)家提出的托卡(ka)馬克(ke)(ke)方案異(yi)軍突起，效果驚人，國際聚變界的重(zhong)點研究方向隨之(zhi)轉向了托卡(ka)馬克(ke)(ke)。

攻堅克難的核聚變人

當世界的可控核聚(ju)變研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)如火(huo)如荼時(shi)，中國(guo)“人造太陽(yang)”的建(jian)設(she)也沒有掉隊(dui)。早在(zai)1955年，錢三強和剛(gang)留(liu)美歸來的李正武(wu)等科學家便提議開(kai)展中國(guo)的“可控熱核反(fan)應”研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)，這與國(guo)際社會關(guan)注核聚(ju)變幾乎同(tong)步(bu)。

1965年，根據國家“三線”建設統(tong)一規劃(hua)，在四川省樂山市郊區，建立了(le)當時中(zhong)國最(zui)大(da)的核聚變研究(jiu)基地——西南物(wu)(wu)理研究(jiu)所，這也(ye)是中(zhong)核集(ji)團核工業西南物(wu)(wu)理研究(jiu)院(yuan)（以下(xia)簡稱“核西物(wu)(wu)院(yuan)”）的前身。

而中國(guo)(guo)核(he)聚變研究史(shi)上的(de)(de)重要里(li)程碑，當屬1984年(nian)中國(guo)(guo)環流(liu)器一號（HL－1）的(de)(de)建成(cheng)。這是(shi)中國(guo)(guo)核(he)聚變領域的(de)(de)第一座大科學裝(zhuang)置(zhi)，它為中國(guo)(guo)自(zi)主設計、建造(zao)、運行“人造(zao)太(tai)陽”培(pei)養了大批人才(cai)，積累(lei)了豐富經驗。

上世(shi)紀80年代(dai)，作家莫然曾造訪位(wei)于108級石梯(ti)之(zhi)高的(de)(de)荒(huang)山上的(de)(de)研(yan)究(jiu)所(suo)。據(ju)她(ta)回憶，剛(gang)搬遷至樂山時，所(suo)里條件(jian)簡陋(lou)，可謂一(yi)貧如洗。研(yan)究(jiu)者缺乏住所(suo)，甚至只能(neng)睡在帳篷(peng)里。但中(zhong)國(guo)可控核聚變研(yan)究(jiu)的(de)(de)“搖籃”恰(qia)(qia)恰(qia)(qia)是誕生在這(zhe)樣艱苦(ku)的(de)(de)環境中(zhong)，這(zhe)離不(bu)開(kai)研(yan)究(jiu)者開(kai)荒(huang)拓土、篳路藍(lan)縷之(zhi)功。正(zheng)如莫然所(suo)說：“盡管(guan)研(yan)究(jiu)所(suo)的(de)(de)房間就(jiu)像山洞(dong)一(yi)樣，但我們(men)的(de)(de)科學(xue)家具(ju)有(you)舍己(ji)的(de)(de)奉獻精神(shen)，就(jiu)在那樣的(de)(de)環境中(zhong)，他們(men)制(zhi)造出了‘中(zhong)國(guo)環流器一(yi)號’，光設計圖紙就(jiu)有(you)3層樓那樣高。”

從(cong)(cong)此(ci)，中(zhong)國(guo)磁約(yue)束(shu)聚變一步(bu)步(bu)從(cong)(cong)無到有，從(cong)(cong)小到大(da)，從(cong)(cong)弱到強。1995年(nian)中(zhong)國(guo)第(di)一個(ge)超(chao)導(dao)托(tuo)卡馬(ma)克裝置(zhi)HT-7在合肥建成(cheng)；2002年(nian)中(zhong)國(guo)建成(cheng)第(di)一個(ge)具有偏濾器位(wei)形的托(tuo)卡馬(ma)克裝置(zhi)中(zhong)國(guo)環(huan)(huan)流器二號 A（HL－2A）；2006年(nian)，世界(jie)上第(di)一個(ge)全超(chao)導(dao)托(tuo)卡馬(ma)克裝置(zhi)東(dong)方超(chao)環(huan)(huan)（EAST）首次等(deng)離(li)子體(ti)放(fang)電(dian)成(cheng)功……

而(er)預計2020年投入運行(xing)的“中(zhong)國(guo)環流器二號M”裝(zhuang)置將(jiang)(jiang)成為(wei)中(zhong)國(guo)規模最大、參數最高(gao)(gao)的磁(ci)約束(shu)可(ke)控核(he)聚變實(shi)驗研究裝(zhuang)置，其(qi)等離子體體積(ji)為(wei)中(zhong)國(guo)現(xian)有(you)裝(zhuang)置的2倍以上，離子溫度將(jiang)(jiang)達到1億攝(she)氏度以上，可(ke)將(jiang)(jiang)電流從中(zhong)國(guo)現(xian)有(you)裝(zhuang)置的1兆(zhao)(zhao)安(an)培提高(gao)(gao)到3兆(zhao)(zhao)安(an)培。

作(zuo)為(wei)一(yi)個歷經多(duo)年研制的(de)(de)(de)實驗項目(mu)，中國環流器二號M精(jing)細(xi)的(de)(de)(de)部(bu)件工藝很(hen)多(duo)都是(shi)前無(wu)古人的(de)(de)(de)創造(zao)。就像在裝置設備“真空室”中，許多(duo)細(xi)小(xiao)的(de)(de)(de)誤差(cha)是(shi)現有檢測儀器所無(wu)法(fa)感知的(de)(de)(de)，很(hen)多(duo)時候甚至需(xu)要(yao)自主開發新的(de)(de)(de)檢驗設備，因為(wei)連塵埃(ai)般(ban)大(da)小(xiao)的(de)(de)(de)缺陷都會影響最(zui)終的(de)(de)(de)實驗結果。

為了(le)保障中(zhong)心柱這個高約(yue)2層樓、重約(yue)80噸的裝(zhuang)置設備在移動過程中(zhong)不(bu)(bu)受磕碰，且安裝(zhuang)精度不(bu)(bu)超過0.1毫米偏(pian)差，二號(hao)M裝(zhuang)置線圈團(tuan)隊在1個月(yue)內做了(le)十(shi)幾種方案，短短2分(fen)鐘的路程，研究團(tuan)隊最終耗費了(le)近9個小時才成(cheng)功(gong)完(wan)成(cheng)搬運。“移動中(zhong)，大家像呵護寶(bao)貝(bei)一樣。”項(xiang)目線圈組負責人劉曉龍說，“還不(bu)(bu)錯(cuo)，我們成(cheng)功(gong)了(le)。”

“既然把任務交(jiao)給我們這個團(tuan)隊了，我們就有義務把事情做好(hao)，給中(zhong)核集(ji)團(tuan)、給核工(gong)業乃至國(guo)家一(yi)個交(jiao)代(dai)。”中(zhong)國(guo)環流器二號M裝置項(xiang)目(mu)經理劉永的話(hua)擲地(di)有聲。

走向國際的中國團隊

可(ke)控(kong)核(he)(he)聚變(bian)研究非常困難，難到什(shen)么程度？鐘武(wu)律(lv)給我們(men)做了(le)一(yi)個比較(jiao)：“世界上第一(yi)顆原(yuan)子(zi)彈爆炸以(yi)(yi)后，不到十(shi)年核(he)(he)裂變(bian)就(jiu)實(shi)(shi)現(xian)了(le)和(he)平(ping)利(li)用(yong)，建(jian)成了(le)核(he)(he)電站。科學家們(men)想，氫彈成功以(yi)(yi)后，應該也用(yong)不了(le)多(duo)長時間(jian)就(jiu)能夠實(shi)(shi)現(xian)核(he)(he)聚變(bian)的(de)和(he)平(ping)利(li)用(yong)，實(shi)(shi)現(xian)可(ke)控(kong)核(he)(he)聚變(bian)。但后來(lai)的(de)研究發(fa)現(xian)，并沒有(you)那么簡單，它需要(yao)全世界的(de)科學家一(yi)起(qi)來(lai)努力完成。”

于是(shi)就(jiu)有了2006年國(guo)際熱核聚變實驗堆（ITER）計(ji)劃(hua)的(de)(de)簽署。由(you)中國(guo)、美國(guo)、歐(ou)盟、俄羅斯(si)、日本(ben)、韓國(guo)和(he)印度七方參與，計(ji)劃(hua)在法(fa)國(guo)南部(bu)普羅旺斯(si)地區共同(tong)建造一個世界上最(zui)(zui)大(da)的(de)(de)托卡馬克裝(zhuang)置。ITER是(shi)目(mu)(mu)前(qian)全球(qiu)影響最(zui)(zui)深(shen)遠(yuan)且最(zui)(zui)大(da)的(de)(de)國(guo)際合(he)作(zuo)(zuo)項(xiang)目(mu)(mu)之(zhi)一，也是(shi)中國(guo)以(yi)平等身份參加(jia)的(de)(de)最(zui)(zui)大(da)國(guo)際科技合(he)作(zuo)(zuo)項(xiang)目(mu)(mu)。其(qi)中，中國(guo)承擔了大(da)概9%的(de)(de)采購(gou)包(bao)研(yan)發任務。

“我國這些年磁約束聚變研究(jiu)進展(zhan)得(de)益(yi)于參加ITER計劃。”段旭如(ru)說，比(bi)如(ru)中國環流器(qi)二號M在設計建造過程(cheng)中，通過與國際上(shang)現有(you)托卡(ka)馬(ma)克裝置的交流學習，吸(xi)取(qu)了許(xu)多設計建造與運行托卡(ka)馬(ma)克的成功經驗。

鐘(zhong)武律還舉了核西物(wu)院研發ITER第(di)一(yi)壁(bi)采購包半(ban)原(yuan)型部(bu)件的(de)例子。“這是(shi)中國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)團隊承(cheng)擔的(de)一(yi)份高難度任務。當時世(shi)界上(shang)(shang)滿足ITER第(di)一(yi)壁(bi)特(te)殊材料(liao)要(yao)求的(de)只有(you)美國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)。我院的(de)科研團隊聯合國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)內有(you)關單位(wei)通(tong)過(guo)十多年(nian)的(de)努力，不(bu)僅在(zai)特(te)殊材料(liao)的(de)制備(bei)上(shang)(shang)，而(er)且在(zai)焊(han)接工藝等(deng)多項(xiang)技術(shu)上(shang)(shang)取得(de)了突(tu)破，2016年(nian)成(cheng)功(gong)研制的(de)ITER超熱負荷第(di)一(yi)壁(bi)半(ban)原(yuan)型部(bu)件在(zai)國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)際上(shang)(shang)率(lv)先通(tong)過(guo)認證，也讓中國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)在(zai)這個技術(shu)上(shang)(shang)達到世(shi)界先進水平。”鐘(zhong)武律說，“目前中國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)承(cheng)擔的(de)ITER采購包，不(bu)管(guan)是(shi)在(zai)研發進度還是(shi)在(zai)完成(cheng)質量方面，都處于七方的(de)前列(lie)。在(zai)國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)際聚變舞(wu)臺上(shang)(shang)，中國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)有(you)了更大的(de)話語(yu)權。”

對中(zhong)國可控核(he)聚變實(shi)力的(de)(de)認可，還在(zai)不(bu)斷升級。2019年9月30日，ITER主(zhu)機安(an)裝一號合同(tong)(tong)在(zai)北京簽約(yue)，由中(zhong)核(he)集團牽頭的(de)(de)中(zhong)法(fa)聯合體中(zhong)標(biao)該(gai)工(gong)程(cheng)。這個工(gong)程(cheng)安(an)裝的(de)(de)是(shi)ITER裝置最(zui)重(zhong)要的(de)(de)核(he)心設(she)備，其重(zhong)要性相(xiang)當于核(he)電站的(de)(de)反應堆、人體里(li)的(de)(de)心臟。這是(shi)有史以來中(zhong)國企業在(zai)歐(ou)洲市場中(zhong)標(biao)的(de)(de)最(zui)大核(he)能(neng)工(gong)程(cheng)項目(mu)合同(tong)(tong)。

ITER組(zu)織總干事比戈說：“我們(men)很高興找到(dao)了高素質的(de)積極(ji)的(de)合作伙伴來完成這項工(gong)作。我們(men)期(qi)待著與世(shi)界知名(ming)的(de)行(xing)業專家(jia)合作，按時(shi)、按規格(ge)安裝世(shi)界上(shang)最具挑(tiao)戰(zhan)性、最有前途(tu)和(he)最重要的(de)科學設(she)備之一。”

“通(tong)過國際競(jing)標拿到(dao)了ITER項目最核(he)心部分的安裝工程(cheng)，證(zheng)明我們的團隊在世界上(shang)是領先(xian)的。”中核(he)集(ji)團董(dong)事長(chang)余劍鋒豪情滿懷地總(zong)結道(dao)，“這也標志(zhi)著我們國家(jia)在核(he)電(dian)事業，在核(he)能工程(cheng)的建設(she)安裝方面，達(da)到(dao)了世界先(xian)進水平(ping)。”（記(ji)者(zhe) 韓維正 劉樂藝）

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