新一代“人造太陽”的中央控制大廳。
行星發(fā)動機(jī)、智能量子計(jì)算機(jī)、太空電梯……一段時(shí)間以來，電影《流浪地球2》中的“硬核科技”元素引發(fā)廣泛關(guān)注。你知道嗎?電影中的很多裝備在現(xiàn)實(shí)中都有原型。
(資料圖片)
“你們盡管想象，我們負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)?！弊罱缃幻襟w上，中核集團(tuán)一張引爆網(wǎng)絡(luò)的海報(bào)，展示的便是電影中的行星發(fā)動機(jī)和現(xiàn)實(shí)中的中國新一代“人造太陽”裝置(HL-2M)、中國環(huán)流器二號A裝置(HL-2A)。網(wǎng)友們不禁熱血沸騰，紛紛感嘆，“原來中國科幻的背后是中國制造”。
科幻照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。電影中行星發(fā)動機(jī)推動地球利用的是核聚變釋放的能量，而HL-2M、HL-2A正是我國探索受控核聚變的重要裝置，被稱為“人造太陽”。其中，HL-2M裝置是我國目前規(guī)模最大、參數(shù)最高的磁約束核聚變實(shí)驗(yàn)研究裝置。前不久，它入選了“2022年度央企十大國之重器”。
這些裝置為何被稱為“人造太陽”?我們?yōu)槭裁匆臁疤枴?新一代“人造太陽”實(shí)現(xiàn)了哪些技術(shù)突破和自主創(chuàng)新?記者近日采訪了中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院有關(guān)負(fù)責(zé)同志，讓我們一起跟隨“造太陽”的人，探尋新一代“人造太陽”的奧秘。
原料取用不盡、燃耗低能量大、產(chǎn)物清潔友好
受控核聚變，理想的“終極能源”
四川成都雙流西南航空港，坐落著核工業(yè)西南物理研究院。這是我國最早從事核聚變能源開發(fā)的專業(yè)研究院。
研究院聚變科學(xué)所那座建了22年的老樓，便是新一代“人造太陽”的“家”。
人類真的可以造太陽嗎?面對記者的疑問，核工業(yè)西南物理研究院聚變科學(xué)所所長鐘武律給出了答案：“人造太陽”并不是真的造一個(gè)太陽，而是建一個(gè)裝置，利用太陽發(fā)光發(fā)熱的原理，持續(xù)可控地輸出能量。
“太陽為什么能夠持續(xù)發(fā)光發(fā)熱?是因?yàn)樗鼤r(shí)刻都在發(fā)生著核聚變反應(yīng)?！辩娢渎筛嬖V記者，我們“造太陽”的最終目的是通過核聚變來發(fā)電。
眾所周知，能源危機(jī)被認(rèn)為是人類社會發(fā)展面臨的最大難題?？茖W(xué)家們把視線轉(zhuǎn)向核能，而核能主要有核裂變和核聚變兩種形式。
當(dāng)前，世界上商用的核電站利用的是核裂變能，即由較重的原子核(如鈾)通過核反應(yīng)過程分裂成兩個(gè)或兩個(gè)以上較輕的原子核，從中釋放出能量。然而，鈾礦的儲量有限，長遠(yuǎn)看仍難以滿足人類需求。
核聚變的過程正相反，是指由質(zhì)量較輕的原子核在超高溫條件下聚合成較重原子核，并釋放出巨大能量，且單位質(zhì)量下釋放的能量比裂變高得多。太陽的光和熱，就來源于核聚變反應(yīng)釋放出的能量。
“核聚變能源的優(yōu)勢非常明顯。一是燃料在地球上的儲量極為豐富;二是不產(chǎn)生高放射性核廢料，環(huán)境友好;三是具有固有安全性等優(yōu)點(diǎn)?！辩娢渎蛇M(jìn)一步解釋道。
記者了解到，支撐核聚變反應(yīng)的主要原料可以從海水中提取。據(jù)測算，從一升海水中提取出的氘，經(jīng)完全聚變反應(yīng)后釋放的能量，足夠一輛汽車從北京開到海南。按照地球上的海水資源計(jì)算，理論上用于聚變反應(yīng)釋放的能量足夠人類使用上百億年，幾乎無窮無盡。
數(shù)據(jù)最具說服力。據(jù)90后高級工程師、核工業(yè)西南物理研究院博士科普團(tuán)金牌科普員鄭雪介紹，一座100萬千瓦的火電站，每年消耗煤炭約210萬噸;同等級的核電站，每年消耗濃縮鈾約30噸。而如果建造一座100萬千瓦的核聚變電站，每年僅需消耗燃料約0.12噸。
正因?yàn)榇?，核聚變能被認(rèn)為是一種理想的“終極能源”，一旦成功應(yīng)用，將從根本上解決人類對能源的需求問題。
不過，想要利用核聚變能，還必須要讓核聚變變得可控?！?0世紀(jì)50年代，第一顆氫彈爆炸成功，就意味著人類制造核聚變反應(yīng)成為了現(xiàn)實(shí)，但那是不可控的、瞬間的。我們‘造太陽’，就是要通過某種特殊的途徑，將核聚變反應(yīng)過程變得可控，讓它源源不斷地輸出聚變能為我們所用。”鐘武律說。
讓核聚變可控，這是一個(gè)世界級難題，必須要同時(shí)滿足三個(gè)非?？量痰臈l件，也就是所謂的“聚變?nèi)朔e”。
“第一個(gè)是它需要上億攝氏度的高溫，因?yàn)橹挥袦囟忍貏e高，原子核才會‘跑’得更快。第二個(gè)是等離子體的密度要足夠高，這樣原子核之間碰撞發(fā)生聚合反應(yīng)的概率就會提高。第三個(gè)就是要長時(shí)間地控制住這些原子核，也就是說要將高溫高密度的核反應(yīng)條件維持足夠長的時(shí)間。只有這樣，才能夠使核聚變發(fā)生，并且持續(xù)下去。”鐘武律說。
上億度高溫是個(gè)什么概念?要知道，太陽的核心溫度也只有1500萬度至2000萬度。而地球上的金屬材料在1000度左右就會融化。聰明的科學(xué)家就利用強(qiáng)磁場，讓高溫的等離子體懸浮起來，從而實(shí)現(xiàn)與材料的隔離。也就是說，讓高溫等離子體在磁場約束下進(jìn)行聚變反應(yīng)。
最高可達(dá)2.5兆安培以上電流、1.5億度高溫
自主創(chuàng)新造就新一代“人造太陽”
王金，核工業(yè)西南物理研究院的一名資深高級技師。
對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析，對主機(jī)真空室進(jìn)行查漏檢修……最近，他和同事們一起對HL-2M裝置進(jìn)行了新的升級改造，為即將到來的下一輪放電實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。
在新一代“人造太陽”的主機(jī)機(jī)房，各種管線、機(jī)柜圍繞在一個(gè)巨型“輪胎”狀機(jī)器周圍，令人眼花繚亂。然而，王金卻對這里的每一個(gè)零件都了如指掌。
“這上面數(shù)萬個(gè)零件，都是我和同事們親手安裝和調(diào)試的?！蓖踅鹧哉Z中透著自豪。
記者了解到，HL-2M裝置是我國目前規(guī)模最大、參數(shù)最高的磁約束核聚變實(shí)驗(yàn)研究裝置，采用先進(jìn)的結(jié)構(gòu)與控制方式，等離子體體積達(dá)到國內(nèi)現(xiàn)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，等離子體離子溫度可達(dá)到1.5億攝氏度，能實(shí)現(xiàn)高密度、高比壓、高自舉電流運(yùn)行。同時(shí)也是目前國際上首個(gè)具備在兆安培等離子體電流下實(shí)現(xiàn)多種先進(jìn)偏濾器位形能力的核聚變先進(jìn)研究平臺。
“更為重要的是，裝置的核心部件都是我國自主設(shè)計(jì)建造?！辩娢渎烧f。
據(jù)介紹，新一代“人造太陽”由真空室、線圈系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)組和支撐結(jié)構(gòu)等核心部件組成。其設(shè)計(jì)建造背后，有太多打破國外技術(shù)封鎖、填補(bǔ)國內(nèi)空白的故事，大到真空室等核心部件，小到一枚枚特殊的膨脹螺栓，都不斷挑戰(zhàn)著國內(nèi)相關(guān)工程技術(shù)水平極限。
“中間那個(gè)直徑約5米、高約3米的‘輪胎’狀設(shè)備就是真空室?！蓖踅鸶嬖V記者，僅容器設(shè)計(jì)制造就經(jīng)過6年的艱難探索。
據(jù)介紹，HL-2M裝置主要是靠強(qiáng)磁場將高溫離子約束在真空環(huán)境中，不與任何材料接觸。而這個(gè)超真空環(huán)境，比宇宙空間環(huán)境的要求還要高好幾個(gè)數(shù)量級。在設(shè)計(jì)研發(fā)初期，科研團(tuán)隊(duì)大量調(diào)研，走訪了10余家大型制造企業(yè)，卻因設(shè)計(jì)精度高、制造難度大、薄壁件焊接變形控制難、國內(nèi)無相關(guān)經(jīng)驗(yàn)等原因被告知無法加工。團(tuán)隊(duì)迅速將科學(xué)思維調(diào)整為工程思維，將科學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)細(xì)化為一個(gè)個(gè)可實(shí)現(xiàn)的工程圖紙，以共同研發(fā)和手把手教學(xué)的方式指導(dǎo)廠家加工。這對長期從事基礎(chǔ)科研、缺乏工程經(jīng)驗(yàn)的團(tuán)隊(duì)來說，壓力巨大。不過，最終還是研發(fā)制造出了我國首臺D形截面特材雙層雙曲率薄壁件全焊接環(huán)狀超高真空容器，相關(guān)工藝和技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
線圈系統(tǒng)也很重要，它要為HL-2M裝置開展放電實(shí)驗(yàn)提供約5萬倍于地球磁場的強(qiáng)磁場，用以精確和穩(wěn)定地控制上億度高溫等離子體。按照最初的設(shè)計(jì)，線圈制造“利舊改造”，是當(dāng)時(shí)最可靠、最高效的方案。然而科研團(tuán)隊(duì)卻選擇重新研制。最終首創(chuàng)了國內(nèi)最大運(yùn)行電流強(qiáng)磁場D形比特板式可拆分環(huán)向場線圈，突破國內(nèi)大截面外方內(nèi)圓異形無氧銅管原有產(chǎn)能極限，獨(dú)創(chuàng)性地掌握了國內(nèi)大尺寸異形高強(qiáng)度鉻鋯銅材制造技術(shù)，多項(xiàng)工藝領(lǐng)先國外一流裝置。
不僅如此，裝置有關(guān)零部件的安裝精度和清潔度也有著極高要求?！拔覀冋婵帐覂?nèi)安裝的部件共有4萬多個(gè)，全部由人工安裝，如果有任何一個(gè)部件沒有安裝牢固，或沒有在指定的位置就會造成幾百人的團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)無法進(jìn)行。同時(shí)，由于空間受限，所有部件都是緊湊型，需要一層一層安裝上去，安裝難度大?！蓖踅鸾榻B，真空環(huán)境外的第一道“防線”——“第一壁”的安裝，是他面對的最大挑戰(zhàn)。
為了能保護(hù)好后面的各種測量器件，“第一壁”密布在整個(gè)真空室內(nèi)部，包括多層功能性和結(jié)構(gòu)性材料，大的有撲克牌大小，小的只有指頭大小?！奥犉饋砗孟袷恰N瓷磚’一樣簡單，但對間隙和平整度的要求極高，相鄰兩塊材料之間的高度差不能超過1毫米、間隙不能超過2毫米，而且作業(yè)空間十分受限?！睋?jù)他回憶，整個(gè)“第一壁”的安裝就花了大半年，為了保證環(huán)境的潔凈，工作時(shí)還需要換上全套防塵服，外加手套、口罩、發(fā)套和安全帽，整個(gè)人就只剩下眼睛露在外面。
不斷取得新突破、不斷創(chuàng)造新紀(jì)錄
核聚變點(diǎn)火正逐漸走向現(xiàn)實(shí)
HL-2M裝置主機(jī)一墻之隔，是裝置的中央控制室。2月9日，聚變科學(xué)所控制與信息研究室年輕的90后主任李波在控制室內(nèi)協(xié)調(diào)有關(guān)系統(tǒng)，對外圍輔助加熱系統(tǒng)進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn)。
他還有一個(gè)稱呼——“‘人造太陽’的駕駛員”?！爸饕秦?fù)責(zé)設(shè)計(jì)打造和運(yùn)行控制裝置的‘中樞神經(jīng)’，最終實(shí)現(xiàn)對等離子體的控制?！崩畈ń忉屨f。
當(dāng)記者提起2022年10月HL-2M裝置創(chuàng)造的新紀(jì)錄——等離子體電流首次突破100萬安培(1兆安)，李波頗顯激動。據(jù)他介紹，要想實(shí)現(xiàn)核聚變發(fā)電，首先要實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火，這是一個(gè)先決條件?！熬拖胥@木取火一樣，先實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火，后續(xù)只需持續(xù)加‘柴’就可持續(xù)對外輸出能量?！?/p>
不過，點(diǎn)一把柴火容易，核聚變點(diǎn)火難。如前文所介紹的那樣，等離子體溫度、密度、能量約束時(shí)間三個(gè)變量參數(shù)的乘積，必須超過特定數(shù)值。而本次等離子體電流突破100萬安培，就意味著等離子體的密度極限和能量約束時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)有顯著提升?！斑@也就意味著我們距離聚變點(diǎn)火又邁進(jìn)了重要一步，對我國深度參與目前全球最大的‘人造太陽’——國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER實(shí)驗(yàn)及自主設(shè)計(jì)運(yùn)行聚變堆具有重要意義?！崩畈ㄕf。
不過，每一次實(shí)驗(yàn)、每一輪放電都會有新的問題等待解決?！叭缤弦惠叀焯枴娜?，我們也要一個(gè)山頭一個(gè)山頭地去攻克?！崩畈ǜ嬖V記者，院所正在集聚各路精兵強(qiáng)將，整合多方優(yōu)勢資源，院所兩級紀(jì)委加強(qiáng)監(jiān)督聯(lián)動，全力保障基礎(chǔ)科研攻關(guān)，加快推進(jìn)解決“人造太陽”關(guān)鍵核心技術(shù)卡脖子難題。
據(jù)介紹，我國的可控核聚變實(shí)驗(yàn)研究始于20世紀(jì)50年代，幾乎與國際上同步。歷經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，先后研制了多種類型的磁約束核聚變研究裝置，如脈沖磁鏡、角向箍縮裝置、仿星器、超導(dǎo)磁鏡、托卡馬克。
當(dāng)前主流的“人造太陽”裝置為托卡馬克，HL-2M裝置就是一種托卡馬克裝置?！捌鋵?shí)就是在一個(gè)大型環(huán)狀真空容器里面注滿氣體，然后把氣體電離變成等離子體，再用強(qiáng)磁場把帶電粒子控制住，讓它在真空容器里面懸浮起來。”鐘武律說。在此之前，核工業(yè)西南物理研究院還先后研發(fā)出HL-1、HL-1M、HL-2A系列裝置，其中HL-1是我國首個(gè)中型托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置，被稱為我國首個(gè)“人造太陽”實(shí)驗(yàn)裝置。
2006年，中國、歐盟、美國、俄羅斯、日本、韓國和印度共同簽署了ITER項(xiàng)目啟動協(xié)定，該項(xiàng)目是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國際大科學(xué)工程之一，同時(shí)也是中國以平等身份參加的最大國際科技合作項(xiàng)目，并不斷取得了新的突破。如今，中國的磁約束核聚變研究部分技術(shù)已達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
“實(shí)現(xiàn)核聚變點(diǎn)火正逐漸走向現(xiàn)實(shí)?！睂L-2M這個(gè)我國唯一一個(gè)具備開展堆芯級等離子體物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ募夹g(shù)平臺，這群“造太陽”的人充滿信心，“未來HL-2M將繼續(xù)有條不紊開展后續(xù)實(shí)驗(yàn)工作，沖擊更高的等離子體電流和離子溫度等參數(shù)，全面提升核聚變?nèi)齾?shù)，實(shí)現(xiàn)我國‘人造太陽’研究新的飛躍。”
“每一次通過中控廳的大屏幕看到等離子體的奪目亮光，我就覺得它特別美，就像人類第一次看到自己點(diǎn)燃了篝火——發(fā)光發(fā)亮，充滿希望?！崩畈ǜ锌溃诖覈囊槐K盞燈早日被核聚變能點(diǎn)亮。(本報(bào)記者 王珍)
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