中国“人造太阳”如何突破“卡脖子”

本报记者   樊  巍   曹思琦

像太阳那样利用核聚变获得源源不断的清洁能源供应,是人类长久以来的梦想。中国在利用受控核聚变去“种太阳”方面已经走在世界前列。2020年12月,由中核集团核工业西南物理研究院聚变科学所研制的新一代“人造太阳”——中国环流器二号M装置(HL-2M)实现首次放电。承担这一高精尖科学项目的76人队伍中,有57人为35周岁以下的青年人。今年五四青年节,这支勇攀科技高峰的队伍荣获第26届“中国青年五四奖章集体”。《环球时报》记者近日专访了中国“种太阳”团队,听他们讲述如何在国外的技术封锁下,实现中国“聚变能源梦”的故事。

核心部件都是中国自主设计制造

中核集团核工业西南物理研究院聚变科学所副所长钟武律接受《环球时报》记者专访时表示,“‘人造太阳’以其资源丰富、环境友好和固有安全性等优势将成为人类未来的理想能源,也是能最终解决人类社会能源与环境问题的有效途径,对我国经济社会发展、工业建设具有重要战略意义。”

但相较于核裂变原理在核电站中的成熟应用,人类想要“驾驭”热核聚变反应,却面临着诸多难题与挑战。

钟武律介绍称,核聚变发生的条件非常苛刻,这个过程首先需要在极度高温的条件中进行,“原子核必须具备足够高的动能,如温度达到上亿度,才能克服原子核间的库伦排斥力,相互靠得足够近,以便让短程核间吸引力发挥主要作用”。此外还需要创造等离子体高密度的条件,“氘氚原子核的密度足够高,才可以提高原子核之间碰撞而发生核聚变反应的概率”。而想要实现可控核聚变还需要维持一个较长的能量约束时间,“将高温高密度的核反应条件维持足够长的时间,才能使核聚变反应得以持续进行”。

在钟武律看来,虽然核聚变的原理说起来简单,但开发核聚变能却是对人类的科学与技术极限的挑战,因为这要求在人工控制条件下,等离子体的离子温度、密度与能量约束时间“三乘积”必须达到一定值。在科学上,将维持核聚变反应堆中能量平衡的这个特殊条件被称为“劳森判据”。“只有核聚变反应释放出足够多的能量,才可维持核聚变反应堆的运转并有可观的能量输出,使聚变反应持续进行。”

根据中国核能发展“热堆-快堆-聚变堆”三步走战略,中国的目标是自主研发核聚变能反应堆。其中,新一代“人造太阳”是我国开发核聚变能的重要举措,它标志着我国自主掌握了大型先进托卡马克装置的设计、建造、运行技术,将为下一步我国自主设计、建造聚变堆奠定坚实基础。

钟武律介绍称,新一代“人造太阳”是我国目前规模最大、参数能力最高的磁约束核聚变实验研究装置,它采用先进的结构与控制方式,等离子体体积达到国内现有装置2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,能实现高密度、高比压、高自举电流运行。该装置同时也是目前国际上首个具备在兆安培等离子体电流下实现多种先进偏滤器位形能力的核聚变先进研究平台。“装置的核心部件都是中国自主设计制造,它是实现我国核聚变能开发事业跨越式发展的重要依托装置,也是我国消化吸收世界最大国际合作项目之一——国际热核聚变实验堆(ITER)技术不可或缺的重要平台。”▲

突破技术封锁,提升中国制造

据《环球时报》记者了解,新一代“人造太阳”由真空室、线圈系统、发电机组和支撑结构等核心部件组成。在这个中国“人造太阳”背后,有着一连串打破国外技术封锁、填补国内空白的励志故事。

以真空室为例,该装置为“人造太阳”放电实验提供超真空环境,用来盛装上亿度高温等离子体,比宇宙空间环境的真空度还要低好几个数量级。设计研发初期,“种太阳”团队走访了10余家大型制造企业,均因该设备的设计精度高、制造难度大、薄壁件焊接变形控制难、国内无相关经验等原因被告知无法加工。团队将科学设计参数细化为一张张可实现的工程图纸,以共同研发和手把手教学的方式指导厂家加工。经过6年艰难探索,团队制造出我国首台D形截面特材双层双曲率薄壁件全焊接环状超高真空容器,相关工艺和技术指标达到国际领先水平。

线圈系统为“人造太阳”装置放电实验提供约地球磁场5万倍的强磁场,用以精确和稳定地控制上亿度高温等离子体。按照最初的设计方案,线圈制造原采用“利旧改造”的方案。随着建设的深入和国际核聚变研究的快速发展,研发团队发现,如果采用“全新研制”,在设计参数上能确保达到国际先进水平,甚至实现部分领跑,但研制风险极高、创新可能失败。面对两难选择,团队以大量的科学计算和分析为依据,选择了更具挑战的“全新研制”。他们首创了国内最大运行电流强磁场D形比特板式可拆分环向场线圈,突破国内大截面外方内圆异形无氧铜管原有产能极限,独创性地掌握了国内大尺寸异形高强度铬锆铜材制造技术,多项工艺领先国外一流装置。

发电机组是为“人造太阳”提供运行动力的巨型“充电宝”,单次释能可达1300兆焦,其功率与秦山一期核电站相当。研制团队攻克了超大功率滑差调节、大型立式六相脉冲发电机电气制动等技术,研制出国内首台完全自主知识产权的大型立轴脉冲发电机组,其发电量可负担一座百万级人口城市的基本用电量,部分指标同样领跑国际水平。

钟武律介绍称,为确保装置的性能满足在堆芯级等离子体参数条件下开展物理实验研究的需要,“人造太阳”的工程技术难度及工艺复杂性大幅增加,不断挑战着国内相关工程技术水平极限。“美国曾以核心技术为由禁售建设‘人造太阳’所需的高强度膨胀螺栓。面对这个必须解决的‘卡脖子’难题,我们从浩瀚的文献资料中找突破口,经过数百种材料比对和上千次的试制,终于攻克了关键技术,打破了国外封锁,制造出国内无生产先例的大尺寸高强度膨胀螺栓,将生产成本降低近90%,极大节约了科研经费。”

也正是通过这种高强度的技术攻关,“人造太阳”研发团队掌握多项核心技术,通过与国有大型企业合力攻关,极大提升了企业复杂产品的研发能力和装备制造水平,在推进技术创新的同时,也带动了产业技术升级。▲

深化国际合作,贡献中国力量

2006年,中国、欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国和印度共同签署了国际热核聚变实验堆(ITER)项目启动协定,该项目是目前全球规模最大、影响最深远的国际大科学工程之一, 同时也是中国以平等身份参加的最大国际科技合作项目。

据钟武律介绍,该项目同时也是“人造太阳”的研发团队与日、俄、欧盟等30多个世界主要核聚变研究机构及国际组织合作项目中规模最大的一个项目。“中国以‘平等伙伴’身份加入ITER计划,贡献比例约占9%,其中70%以上以实物贡献方式,即研发制造ITER装置部件,中方按时、高标准、高质量交付了有关任务,采购包完成质量与进度均走在ITER七方前列,有力推动了项目实施,得到参与各方充分肯定。”

钟武律认为,中国参与ITER这样的国际大科学计划,无疑也提升了中国牵头国际大科学工程的能力。通过不断深化国际合作交流,中国也在汲取国际可控核聚变实验装置设计、建造、运行已有的成功经验,补强短板。“参加ITER计划是我国磁约束核聚变能研发计划中关键一步。立足我国磁约束核聚变研究现状,在中国建造未来聚变堆,当下还面临一些关键科学与技术挑战,下一步我国核聚变的发展应充分利用ITER 的建设与运行,重点进行人才培养与技术储备,加速开展ITER未涵盖的未来聚变堆关键技术攻关,有效解决自主设计建造聚变堆面临的短板与卡脖子问题,形成良性高效的核聚变产业发展格局。”

钟武律同时表示,参与ITER的十多年间,中国的聚变研究也已经从技术“跟跑”“并跑”达到了部分“领跑”,新一代“人造太阳”作为消化、吸收ITER技术的重要平台,十年间也培养锻炼了一批具有参与大科学工程能力的高水平科技人才,“党中央加快建设世界重要人才中心和创新高地,完善人才发展体制机制,加大对青年科研人员支持力度,让各类人才潜心钻研、尽展其能。这些举措对过去十年中国科技创新发展的巨变起到了重要推动作用。”▲

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