新一代“人造太阳”开始放电

刘永是被这样一道电光“击中”的:漆黑的内壁开始明亮起来,在摄像机镜头下泛着蓝光,一道白光突然出现,间歇又是一道。随后,电光交织、频繁闪烁。“真美!”他的手掌心倏地张开,因为激动,掌心还残留汗渍。

12月4日14时02分,新一代“人造太阳”装置——中国环流器二号M装置(HL-2M)在成都建成并实现首次放电。刘永是这个项目的负责人。当天的放电仪式上,人们沸腾了。国家原子能机构主任张克俭说,今天,我国自主研制的中国环流器二号M装置建成运行,这是我国核聚变发展史上的重要里程碑。

这个被评价为里程碑式的装置总体参数达到国际先进水平,它的等离子体体积达到国内现有装置两倍以上,等离子体电流能力提高到2.5兆安培以上,等离子体离子温度可达到1.5亿度,相当于太阳芯部温度的近10倍,能实现高密度、高比压、高自举电流运行。

对此,刘永满怀豪情,他说,HL-2M主要是用来开展高参数、高性能条件下的可控核聚变研究,而研究的最终目的是“问鼎”人类终极能源,再造一个太阳。

支撑人类社会发展的能量来自太阳,太阳的能量则来自核聚变。质量小的原子在一定条件下(如超高温和高压),会发生原子核互相聚合作用,原子核的变化往往伴随巨大的能量释放。如果人类可以掌控这种反应,就意味着世世代代将拥有无限的、清洁的能源。因此,从上世纪50年代开始,中国就一直致力于打造“人造太阳”。

这一过程并不容易。要实现可控核聚变反应,必须满足三个苛刻条件:一是温度要足够高,使燃料变成超过1亿摄氏度的等离子体;二是密度要足够高,这样两原子核发生碰撞的概率就大;三是等离子体在有限的空间里被约束足够长时间。

为了达到这三个条件,目前,国际上大多数国家都采取建造托卡马克装置的形式。这是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器。它的中央是一个环形的真空室,外面缠绕着线圈。在通电时,托卡马克内部会产生巨大的螺旋形磁场,将其中的等离子体加热到很高的温度,以达到核聚变的目的。

多年来,我国已建成中国环流器—号、二号装置、“东方超环”等一批大科学装置,掌握了“人造太阳”的部分关键技术,但离让聚变反应持续可控的目标仍有不小的差距。事实上,这对世界各国来说都是个巨大的挑战。

一个可以佐证的事实是,由于难度实在太大,1985年,国际热核聚变实验堆(ITER)计划被推出,集全世界力量攻克难关。该计划吸引了中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国七方参与,是当今世界最大的科学工程之一,也是我国第一次以全权、平等伙伴身份参加的大型国际科技合作项目。

ITER计划实施后,中国核聚变如何发展?这成为中国核聚变研究者必须直面的问题。当时,中国的托卡马克装置已难以满足核聚变研究的要求,他们亟须性能更高、参数指标与国际先进水平媲美的平台做支撑。

“参数越接近ITER越有利于中国在全球核聚变领域发挥作用。但是,这对国家综合实力,特别是工业制造能力一项严峻的考验。”刘永说,在前ITER时代,参数很低的装置显然没有必要建造。但是建造参数高的装置,中国技术积累够不够、是否具备建造能力、人才是否能支撑,经费是否能保障……对这一长串问题,专家们争议很多。

如何平衡和把握先进性和可靠性之间的关系,成为大家反复讨论的焦点。但专家们最终的意见是:努力跳,够得着。

在刘永看来,对于中国人来说,若要在ITER上发挥更多作用,像HL-2M这样高参数运行的装置不可或缺,一方面支撑ITER,为ITER开展预先研究,并探索相关物理与工程问题;另一方面就是作为我国可控核聚变人才培养的重要平台。这是承上启下的重要一步,不可逾越。

没有人精确地计算过HL-2M中究竟有多少项创新。事实上,对于HL-2M工程项目的科研人员、设计师、工程师和管理团队来说,他们每一天都在创新的路上。

中国可控核聚变研究与世界几乎同步。自1955年钱三强、李正武等老一辈科学家提议开展“可控热核反应”以来,我国在聚变领域取得了一系列重要科研成果。特别是1965年中核集团核工业西南物理研究院(以下简称“核西物院”)成立后,先后发展了脉冲磁镜、角向箍缩装置、仿星器、超导磁镜、反场箍缩装置和托卡马克等多种类型的磁约束聚变研究装置。

其中,最为典型的是1984年在四川乐山建成的中国环流器一号(HL-1),标志着我国可控核聚变研究从原理探索进入规模化实验研究新阶段。从此,中国核聚变研究由小到大、由弱到强,进入高质量发展的新阶段。2002年,由核西物院建造的中国环流器二号A(HL-2A)成为这一时期的代表,这也是我国第一个具有偏滤器位形的托卡马克装置。

HL-2M装置是HL-2A的改造升级装置。在HL-2M装置建设过程中,核西物院联合国内多家研制单位,在装置物理与结构设计、特殊材料研制、材料连接与关键部件研发、总装集成等方面取得了多项突破。

以HL-2M装置建设为牵引,核西物院掌握的特种材料、关键设备、极端条件精密制造等关键技术,已形成“同步辐射”效应,在航空、航天、电子等前沿领域实现创新应用。

这个团队的一名晚辈在学校时就一直在关注ITER的进展,前年博士毕业后因为想做核聚变的研究加入了核西物院,正好赶上HL-2M装置的研制安装。

这个名叫刘林子的年轻人说,现实情况比起初预想要困难得多,HL-2M中不少材料和工艺都是前人没有做过的,为了实现“努力跳、够得着”,他们不断在向极限挑战。

一名建造人员数次腰疾复发,愣是坚守制造现场没说一声,直至被人发现脸色不对、直冒冷汗才下了工厂;为了突破技术瓶颈,有人干脆住在了工厂,后来一算日子,自己累计驻厂竟然近5年了;在重要部件的安装、调试期,有的团队一个月内做了十几个方案,反复验证,最终在现场苦战整整3个月才完成任务……

20年弹指一挥间。HL-2M首次放电那天,不少人都松了一口气,聚在一起聊着这些年的经历,年轻的后辈饶有兴致地听着。

刘林子很激动,她曾经参观过秦山核电站,那里的博物馆让她感触很深,“裂变都已经有一个展览馆可以讲述自己的历史了,以后聚变站建好了,我们会不会也有这样一个博物馆讲述我们的历史?”她希望自己能成为书写历史的一员。(中国青年报)

2020年12月8日 09:12
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