科学|揭秘“人造太阳”
作者：段旭如（中核集团核工业西南物理研究院院长） ， 钟武律（中核集团核工业西南物理研究院聚变科学所副所长）
新一代可控核聚变研究装置“中国环流器二号M” ， 预计于2020年投入运行 。 该实验装置的建成将为可控聚变能开发提供重要技术支撑 。 我们距离“人造太阳”的梦想 ， 又近了一步 。
从“进口”上说 ， 当前可控核聚变所需的反应原料（氘和氚） ， 在地球上“储量”非常丰富 。 氘大量存在于水中 ， 每公升水可提取出约0.035克氘 ， 通过聚变反应可释放相当于燃烧300公升汽油的能量；氚由于半衰期较短 ， 在自然界中储量有限 ， 但其可通过中子轰击锂来制备 ， 而在地壳、盐湖和海水中 ， 锂都是大量存在的 。
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“中国环流器二号M”装置真空室吊装 。 中核集团供图
从“出口”上说 ， 可控核聚变的产物为氦和中子 ， 不排放有害气体 ， 也几乎没有放射性污染 ， 具有环境友好的优点 。
不仅清洁、燃料资源丰富 ， 可控核聚变还有另一个重要特点：固有安全性 。 核聚变反应需要氘氚燃料达到上亿摄氏度的高温和足够高的密度等苛刻条件 ， 任何一点细微条件的缺失 ， 都会导致温度密度的下降 ， 致使聚变反应停止 。 另外 ， 由于聚变堆中燃烧的氘氚等离子体被磁场约束在真空容器内 ， 其密度比空气低数个量级 ， 因此不会引起爆炸 ， 也不会导致泄漏事故 。
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“人造太阳”内部 。 中核集团供图
核聚变能一旦实现商用 ， 地球上的能源将取之不尽用之不竭 ， 因能源消耗带来的环境问题及能源短缺带来的社会问题有望得到根本解决 ， 人们的生活和科技水平也将因此而得到极大提高 。 像海水淡化、星际飞船这类因耗能巨大而令人们犹豫不决、望而却步的工程 ， 未来均有望在可控核聚变能的支持下得到更快发展 。
理想很美好 ， 实现起来并不容易 。 一个最明显的问题 ， 就是用什么容器来承载极端高温的聚变燃料 。
从20世纪50年代开始 ， 英、美、苏等国科学家前赴后继 ， 快箍缩、磁镜、仿星器等不同的技术路线此消彼长 。 竞争延续到了1960年代 ， 最终由苏联科学家提出的托卡马克装置异军突起 ， 达到的参数效果惊人 ， 国际聚变界的重点研究方向随之转向了托卡马克 。
当世界多国在秘密开展可控核聚变研究的同时 ， 中国“人造太阳”的建设也没有掉队 。 早在1955年 ， 钱三强和刚留美归来的李正武等科学家便提议开展中国的“可控热核反应”研究 ， 这与国际社会关注核聚变几乎同步 。
1965年 ， 根据国家“三线”建设统一规划 ， 在四川省乐山市郊区 ， 建立了我国核聚变研究基地——西南物理研究所 ， 这也是中核集团核工业西南物理研究院（以下简称“核西物院”）的前身 。
自此以后 ， 我国先后发展了多种类型的磁约束聚变研究装置 ， 如脉冲磁镜、角向箍缩装置、仿星器、超导磁镜、反场箍缩装置和托卡马克 。
1984年中国环流器一号（HL－1）的建成 ， 是中国核聚变研究史上的重要里程碑 ， 也是中国可控核聚变领域的第一座大科学工程装置 ， 它为中国自主设计、建造、运行聚变装置培养了大批人才 ， 积累了丰富经验 。
从此 ， 中国磁约束聚变一步步从小到大 ， 从弱到强 。 1995年中国第一个超导托卡马克装置HT-7在合肥建成；2002年中国建成第一个具有偏滤器位形的托卡马克装置中国环流器二号A（HL－2A）；2006年 ， 世界上第一个全超导托卡马克装置东方超环（EAST）首次等离子体放电成功……
而预计2020年投入运行的“中国环流器二号M”装置将成为中国规模最大、参数最高的磁约束可控核聚变实验研究装置 ， 由于HL-2M装置采用了更先进的结构与控制方式 ， 其等离子体体积为中国现有装置的2倍以上 ， 离子温度将达到1亿摄氏度以上 ， 可将电流从中国现有装置的1兆安培提高到2.5兆安培以上 。 它将为我国培养聚变堆实验运行人才及自主设计、建造未来聚变堆提供重要技术支撑 。
世界上第一颗原子弹爆炸以后 ， 不到十年人类就实现了核裂变的和平利用 ， 建成了核电站 。 科学家们想 ， 氢弹成功以后 ， 应该也用不了多长时间就能够实现核聚变的和平利用 ， 可以实现可控核聚变 。 后来的研究发现 ， 并没有那么简单 ， 它需要集世界的科技力量一起来努力实现 。
集中全世界在磁约束核聚变领域的科技力量和50余年的技术成果 ， 以验证可控核聚变科学和工程技术可行性为目标的国际热核聚变实验堆（ITER）计划于2006年签署 ， 标志着ITER计划正式启动 。 该计划由中国、美国、欧盟、俄罗斯、日本、韩国和印度七方参与 ， 在法国南部普罗旺斯地区共同建造一个世界上最大的托卡马克装置 。 ITER也是目前全球规模最大、影响最深远的国际合作项目之一 ， 也是中国以平等身份参加的最大国际科技合作项目 。
中国的加入促进了ITER计划更好地实施 ， 同时得益于参加ITER计划 ， 我国在可控核聚变领域的研发和技术水平也取得了长足进步 。 通过不断深化国际合作交流 ， 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 ， 针对当前关键技术壁垒 ， 探索创新 ， 攻坚克难 ， 不断实现突破 ， 我国可控核聚变已逐渐由跟跑转向并跑 ， 部分技术达到国际领先水平 。
在ITER采购包研发方面 ， 中国承担了大概9%的18个子任务 ， 基本覆盖了ITER核心部件 。 目前 ， 我国承担的ITER采购包任务进展顺利 ， 取得了一系列技术突破 ， 成果丰硕 。 核西物院承担的ITER第一壁采购包半原型部件是中国团队承担的一项高难度任务 。 当时世界上能够满足ITER第一壁特殊材料要求的只有美国 。 科研团队联合国内有关单位通过十多年的不懈努力 ， 不仅在特殊材料的制备上 ， 而且在焊接工艺等多项技术上取得了重要突破 ， 成功研制的ITER超热负荷第一壁半原型部件于2016年率先通过国际认证 ， 这标志着我国该项技术已达世界先进水平 。
作为聚变堆堆芯的核心部件之一 ， ITER产氚实验包层模块需要实现中子屏蔽、产氚和能量提取的功能 ， 是实现聚变堆氚自持和发电的关键部件 ， 其设计和制造均面临着巨大的技术挑战 。 经过十余年的研发攻关 ， 由核西物院牵头负责的中国氦冷固态产氚包层系统（HCCB TBS）项目在ITER计划各方中率先完成概念设计评审 。
目前中国承担的ITER采购包 ， 无论是在研发进度还是在完成质量方面 ， 都处于七方的前列 。 在国际聚变舞台上 ， 中国有了更大的话语权 。
国际对中国可控核聚变实力的认可度还在不断提升 。 2019年9月 ， 中核集团牵头的联合体成功中标ITER主机安装一号合同（TAC1） ， 这是有史以来中国企业在欧洲市场中标的最大核能工程项目合同 。 该工程安装的是ITER装置最重要的核心部件 ， 其重要性相当于核电站的反应堆、人体的心脏 。 安装工程囊括了ITER杜瓦结构及杜瓦结构和真空容器之间所有的系统 ， 对精度要求极高 ， 以吊装杜瓦底座为例 ， 该底座重量超过1000吨 ， 而就位偏差要求不超2毫米 ， 工程难度非比寻常 。 通过国际竞标拿到ITER项目最核心部分的安装工程 ， 是国际专业机构对我国核电工程能力的高度认可 ， 同时也标志着我国在该领域的相关技术在已步入世界先进水平 。
进入2020年 ， 国内参数最高的可控核聚变实验装置HL-2M运行在即 ， ITER主机安装和各项采购包稳步推进 ， 可控核聚变关键技术不断获得突破 ， 人类距离“人造太阳”闪耀在东方又近了一步 。
【科学|揭秘“人造太阳”】《光明日报》（ 2020年09月24日 16版）
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