“人造太阳”离圆梦又近一步——揭秘中国可控核聚变

本报记者韩维正刘乐艺中国环流器二号M装置真空室吊装。范晋摄中国环流器二号M装置PF7B线圈起吊。

范晋摄入得令人瞩目科研成果的中国环流器二号A装置。关宇摄技术人员合力加装真空室外壁磁通的环。范晋摄（图片皆为中核集团核工业西南物理研究院获取）万物生长靠太阳。

今天承托人类社会运转的完全一切能源，从煤、石油、天然气，到风能、生物能，其本质都是太阳能，而太阳上的能量来自内部的核聚变反应。就像儿歌中所演唱的，我有一个美丽的心愿，长大以后能采收太阳，长久以来，人类仍然期望通过高效率核聚变反应，来建构出有人造太阳，从而取得源源不绝的能源，大幅度提高人们的生活。

就在前不久，中国核工业集团宣告，新一代高效率核聚变研究装置中国环流器二号M，预计于2020年投放运营。中核集团核工业西南物理研究院院长段旭如回应，该实验装置的竣工将为人类确实掌控高效率核聚变获取最重要技术承托。

我们距离人造太阳的梦想，又将近了一步。源源不绝的清洁能源众所周知，石油是工业的血液。

但以石油为代表的化石能源，有两个绕行不出的问题：一是不能再造，二是污染。即便页岩气、可燃冰等新型能源被大大研发，但归根结底都有消耗只剩的一天。

而目前的核裂变能也不存在着反应原料（铀等）受限、核废料放射性污染的问题。是不是一种能源，既无穷无尽，又洗手环保？还真为有一个，就是高效率核聚变。从进口上说道，高效率核聚变所需的反应原料（氘原子和氚原子），在地球上非常丰富。氘在海水中储量很大，1公升海水里萃取出有的氘，在几乎的聚变反应中可获释相等于自燃300公升汽油的能量；而氚可通过中子与锂反应分解，在地壳和海水中，锂都是大量不存在的。

从出口上说道，高效率核聚变的产物为氦和中子，不废气危害气体，也完全没放射性污染，具备环境友好的优点。核聚变能一旦构建和平利用，地球上的能源将取之不尽用之不竭，因能源紧缺带给的社会问题可获得彻底解决，人们的生活水平也将因此而获得很大提升。段旭如说道，像海水淡化、星际飞船这类工程，过去因耗电太大而令其人们犹豫不决，而未来在高效率核聚变能的反对下，都将需要更加慢发展。

不仅零污染、用不完，高效率核聚变还有另一个最重要特点：固有安全性。许多人一想起用核能发电，就不会想起切尔诺贝利核事故或者福岛核事故，从而有了惧核心理，谈核色变。

事实上，核聚变反应必须氘氚燃料超过上亿摄氏度的高温和充足低的密度等严苛条件，任何一点微小条件的缺陷，都会造成温度密度的上升，导致聚变反应暂停。然而，世界上依然有许多环保机构公开发表谴责核聚变所不存在的安全隐患，还包括产生核废料以及核泄漏的风险。回应，段旭如说明：由于自燃的氘氚等离子体被磁场约束在真空容器内，其密度比空气较低数个量级，核聚变填氘氚燃料含量也较低，因此会引发发生爆炸，也会造成外泄事故。

理想很幸福，但构建一起并不更容易。一个最显著的问题，就是用什么容器来支撑核聚变。

据段旭如讲解，在地球上利用核聚变能，拒绝在人工控制条件下等离子体的离子温度超过1亿摄氏度以上。1亿度是什么概念？太阳的核心温度大约在1500万度至2000万度；而地球上最耐高温的金属材料钨在3000多度就不会熔融。

1亿度，早已多达太阳核心温度的5至6倍了。中核集团核工业西南物理研究院特聘研究员钟武律说明说道，在地球上，没任何材料可以把1亿度高温的等离子体给必要包覆一起。不过这个问题还是难不倒人类科学家，他们无招胜有讨，想到了用强磁场来约束高温核聚变燃料的办法。

但明确用什么装置来构建，还要之后探寻。从20世纪50年代开始，英、美、苏等国科学家前赴后继，慢筒限、磁镜、仿照星器等有所不同的技术路线此消彼长。

竞争沿袭到了1960年代，最后由苏联科学家明确提出的托卡马克方案异军突起，效果难以置信，国际核聚变界的重点研究方向随之改向了托卡马克。攻坚克难的核聚变人当世界的高效率核聚变研究如火如荼时，中国人造太阳的建设也没打散。早在1955年，钱三强和刚刚出国留学回来的李正武等科学家之后建议积极开展中国的高效率热核反应研究，这与国际社会注目核聚变完全实时。1965年，根据国家三线建设统一规划，在四川省乐山市郊区，创建了当时中国仅次于的核聚变研究基地西南物理研究所，这也是中核集团核工业西南物理研究院（以下全称核西物院）的前身。

而中国核聚变研究史上的最重要里程碑，当科1984年中国环流器一号（HL－1）的竣工。这是中国核聚变领域的第一座大科学装置，它为中国自主设计、修建、运营人造太阳培育了大批人才，累积了非常丰富经验。上世纪80年代，作家莫然曾拜访坐落于108级石梯之低的荒山上的研究所。

据她回想，刚刚迁往至乐山时，所里条件破旧，堪称一贫如洗。研究者缺少住所，甚至不能睡觉在帐篷里。

但中国高效率核聚变研究的发祥地才是是问世在这样艰难的环境中，这必不可少研究者垦荒拓土、筚路蓝缕之功。正如莫然所说：尽管研究所的房间就像山洞一样，但我们的科学家具备舍己的奉献精神，就在那样的环境中，他们生产出有了中国环流器一号，光设计图纸就有3层楼那样低。

从此，中国磁约束核聚变一步步从无到有，从小到大，从弱到强。1995年中国第一个超导托卡马克装置HT-7在合肥竣工；2002年中国竣工第一个具备稍滤器位形的托卡马克装置中国环流器二号A（HL－2A）；2006年，世界上第一个仅有超导托卡马克装置东方超环（EAST）首次等离子体静电顺利而预计2020年投放运营的中国环流器二号M装置将沦为中国规模仅次于、参数最低的磁约束高效率核聚变实验研究装置，其等离子体体积为中国现有装置的2倍以上，离子温度将超过1亿摄氏度以上，可将电流从中国现有装置的1兆安培提升到3兆安培。作为一个几经多年研制的实验项目，中国环流器二号M细致的部件工艺很多都是前无古人的建构。

就像在装置设备真空室中，许多细小的误差是现有检测仪器所无法感官的，很多时候甚至必须自律研发新的检验设备，因为连尘埃般大小的缺失都会影响最后的实验结果。为了确保中心柱这个低大约2层楼、重约80吨的装置设备在移动过程中不不受磕碰，且加装精度不多达0.1毫米偏差，二号M装置线圈团队在1个月内做到了十几种方案，短短2分钟的路程，研究团队最后花费了近9个小时才顺利已完成运送。

移动中，大家像关爱宝贝一样。项目线圈组负责人刘晓龙说道，还不俗，我们顺利了。既然把任务转交我们这个团队了，我们就有义务把事情作好，给中核集团、给核工业乃至国家一个交代。

中国环流器二号M装置项目经理刘永的话掷地有声。南北国际的中国团队高效率核聚变研究十分艰难，无以到什么程度？钟武律给我们做到了一个较为：世界上第一颗原子弹发生爆炸以后，将近十年核裂变就构建了和平利用，竣工了核电站。科学家们想要，氢弹顺利以后，应当也用没法多长时间就需要构建核聚变的和平利用，构建高效率核聚变。但后来的研究找到，并没那么非常简单，它必须全世界的科学家一起来努力完成。

于是就有了2006年国际热核聚变实验填（ITER）计划的签订。由中国、美国、欧盟、俄罗斯、日本、韩国和印度七方参予，计划在法国南部普罗旺斯地区联合修建一个世界上仅次于的托卡马克装置。ITER是目前全球影响最深远影响且仅次于的国际合作项目之一，也是中国以公平身份参与的仅次于国际科技合作项目。

其中，中国分担了大约9%的订购包在研发任务。我国这些年磁约束核聚变研究进展归功于参与ITER计划。段旭如说道，比如中国环流器二号M在设计修建过程中，通过与国际上现有托卡马克装置的交流学习，汲取了许多设计修建与运营托卡马克的成功经验。

钟武律还荐了核西物院研发ITER第一壁订购包半原型部件的例子。这是中国团队分担的一份高难度任务。当时世界上符合ITER第一壁类似材料拒绝的只有美国。

我院的科研团队联合国内有关单位通过十多年的希望，不仅在类似材料的制取上，而且在焊工艺等多项技术上获得了突破，2016年顺利研制的ITER超热负荷第一壁半原型部件在国际上首度通过证书，也让中国在这个技术上超过世界先进设备水平。钟武律说道，目前中国分担的ITER订购包在，不管是在研发工程进度还是在已完成质量方面，都正处于七方的前茅。在国际核聚变舞台上，中国有了更大的话语权。

对中国高效率核聚变实力的接纳，还在大大升级。2019年9月30日，ITER主机加装一号合约在北京签下，由中核集团联合的中法联合体中标该工程。

这个工程加装的是ITER装置最重要的核心设备，其重要性相等于核电站的反应堆、人体里的心脏。这是有史以来中国企业在欧洲市场中标的仅次于核能工程项目合约。ITER的组织总干事比戈说道：我们很高兴寻找了高素质的大力的合作伙伴来已完成这项工作。我们期望着与世界著名的行业专家合作，如期、按规格加装世界上最不具挑战性、最有前途和最重要的科学设备之一。

通过国际竞标获得了ITER项目最核心部分的加装工程，证明我们的团队在世界上是领先的。中核集团董事长余剑锋豪情满怀地总结道，这也标志着我们国家在核电事业，在核能工程的建设加装方面，超过了世界先进设备水平。

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