【环时深度】中国“人造太阳”如何突破“卡脖子”？

【环时深度】中国“人造太阳”如何突破“卡脖子”？

[环球时报记者魏凡曹思齐]像太阳一样利用核聚变获得稳定的清洁能源供应，是人类长久以来的梦想。中国在世界上率先利用可控核聚变“种太阳”。2020年12月，中国核工业集团西南物理研究所聚变科学研究所研制的新一代“人造太阳”——中国环流器二号M装置(HL-2M)实现首次放电。在承担这一高科技科学项目的76人中，有57人是35岁以下的年轻人。今年五四青年节，这支勇攀科技高峰的队伍获得了第26届“中国青年五四奖章集体”。《环球时报》记者近日采访了中国“太阳种植”团队，听他们讲述在外国技术封锁下，中国如何实现“聚变能源梦”的故事。

核心部件全部由中国自主设计制造

中核集团西南物理研究所聚变科学研究所副所长钟在接受《环球时报》记者专访时表示，“'人造太阳'因其资源丰富、环境友好、固有安全，将成为未来人类的理想能源，也是最终解决人类社会能源和环境问题的有效途径，对中国经济社会发展和产业建设具有重要的战略意义。”

然而，与核裂变原理在核电站的成熟应用相比，人类要想“控制”热核聚变反应，还面临着诸多困难和挑战。

钟说，核聚变的条件非常苛刻，这个过程首先需要在极高的温度条件下进行。“原子核必须有足够的动能，比如温度达到几亿度，才能克服原子核之间的库仑斥力，相互靠得足够近，这样短程核间引力才能发挥主要作用”。此外，还需要为高等离子体密度创造条件。“氘和氚原子核的密度足够高，可以增加由于原子核之间的碰撞而发生核聚变反应的概率”。要实现受控核聚变，需要维持较长时间的能量约束。“只有长时间保持高温高密度核反应条件，核聚变反应才能继续”。

在钟看来，核聚变的原理虽然说起来简单，但发展核聚变能源是对人类科技极限的挑战，因为它要求等离子体的离子温度、密度和能量约束时间的“三重积”必须在人工控制的条件下达到一定值。科学上，这种将维持核聚变反应堆中能量平衡的特殊条件被称为“劳森判据”。“只有核聚变反应释放出足够的能量，才能以可观的能量输出维持核聚变反应堆的运行，使聚变反应得以继续。”

根据中国核能发展“热反应堆-快堆-聚变堆”三步走战略，中国的目标是自主研发核聚变能源堆。其中，新一代“人造太阳”是我国发展核聚变能源的重要举措，标志着我国自主掌握了大型先进托卡马克装置的设计、建造和运行技术，将为我国下一步自主设计和建造聚变堆奠定坚实基础。

钟说，新一代“人造太阳”是中国目前规模最大、参数能力最高的磁约束核聚变实验研究装置。它采用了先进的结构和控制方法，等离子体体积是国内现有装置的两倍以上。等离子体电流容量提高到2.5兆安培以上，等离子体离子温度可达1.5亿度，可实现高密度、高比电压、高自举电流运行。同时，该装置是世界上第一个先进的核聚变研究平台，具有在百万安培等离子体电流下实现各种先进偏滤器构型的能力。“该装置的核心部件全部由中国自主设计制造。它是实现我国核聚变能源发展跨越式发展的重要支撑装置，也是我国消化吸收世界上最大的国际合作项目之一——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，推动中国制造

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、支撑结构等核心部件组成。中国这个“人造太阳”的背后，是一系列打破国外技术封锁，填补国内空小白的励志故事。

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，用于容纳数亿个高温等离子体，比宇宙空环境的真空度低几个数量级。研发初期，“太阳种植”团队走访了10多家大型制造企业，均被告知该设备设计精度高、制造难度大、薄壁件焊接变形难以控制、国内缺乏相关经验，无法加工。将团队的科学设计参数细化为可实现的工程图纸，以联合研发、手把手教学的方式指导厂家加工。经过6年的艰苦探索，我们团队制造了国内首台D形截面特殊材料、双层双曲率薄壁件全焊接环形超高真空空容器，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”装置的放电实验提供了约为地球磁场5万倍的强磁场，用于精确稳定地控制数亿个高温等离子体。根据最初的设计方案，线圈制造最初采用的是“取长补短”的方案。随着建设的深入和国际核聚变研究的快速发展，RD团队发现，如果采用“新研究”，可以保证设计参数达到国际先进水平，甚至达到部分领先地位，但研究风险极大，创新可能失败。面对两难境地，团队在大量科学计算和分析的基础上，选择了更具挑战性的“全新开发”。他们首创了国内运行电流最大、磁场最强的D型位板可拆式环形场线圈，突破了国内大截面异型内外圈无氧铜管的原有产能极限，独创掌握了国内大尺寸异型高强铬锆铜材制造技术，多项工艺领先于国外一流设备。

发电机组是为“人造太阳”提供运行动力的巨型“充电宝”。其单次能量释放可达1300兆焦耳，功率相当于秦山一期核电站。研发团队攻克了大型垂直六相脉冲发电机超大功率转差率调节、电制动等技术，研制出我国首台具有完全自主知识产权的大型垂直轴脉冲发电机组。其发电量可以负担一个百万人口城市的基本用电量，部分指标也领先国际水平。

钟说，为了保证装置性能能够满足堆芯级等离子体参数条件下的物理实验研究需要，“人造太阳”的工程技术难度和工艺复杂度大大增加，不断挑战国内相关工程技术水平的极限。“美国曾以核心技术为由，禁止销售建造‘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’问题，我们从浩如烟海的文献中找到了突破口。经过上百种材料对比，上千次试制，终于攻克了关键技术，打破了国外封锁，制造出了国内没有生产先例的大尺寸高强度膨胀螺栓，降低了近90%的生产成本，大大节约了科研经费。”

也正是通过这种高强度的技术研究，“人造太阳”的RD团队掌握了多项核心技术。通过与大型国有企业的共同努力，企业复杂产品的RD能力和装备制造水平有了很大提高。在推动技术创新的同时，也促进了产业技术升级。

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、韩国和印度签署了国际热核聚变实验堆(ITER)项目启动协议。该项目是世界上规模最大、影响最深远的国际科学项目之一，也是中国平等参与的最大的国际科技合作项目。

据钟介绍，这个项目也是“人造太阳”的团队与包括日、俄、欧盟在内的世界上30多个主要核聚变研究机构和国际组织的最大合作项目。“中国以‘平等伙伴’的身份加入了ITER计划，约占其贡献的9%，其中超过70%是以实物形式做出的，即ITER设备部件的研究和制造。中方按时、高标准、高质量交付了相关任务，采购包完成质量和进度位居ITER七方前列，有力推动了项目实施，得到了所有参与方的充分肯定。”

钟认为，中国参与类似的国际科学项目，无疑增强了中国领导国际科学项目的能力。通过不断深化国际合作与交流，中国也在借鉴国际受控核聚变实验装置设计、建造和运行的成功经验，以弥补其不足。“参与ITER计划是中国磁约束聚变能源RD计划的关键一步。基于中国磁约束核聚变的研究现状，在中国建造未来聚变堆仍存在一些关键的科学和技术挑战。下一步，中国核聚变发展要充分利用ITER的建设和运营，注重人才培养和技术储备，加快ITER未覆盖的未来聚变堆关键技术研究，有效解决自主设计和建设的聚变堆面临的短板和瓶颈制约问题，形成良性高效的核聚变产业发展格局。”

钟还表示，在过去十年参与的过程中，中国的聚变研究也从“跟跑”和“跟跑”技术达到了局部“领先”。作为消化吸收ITER技术的重要平台，新一代“人造太阳”也培养和造就了一批具有参与大型科学工程能力的高层次科技人才。“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，加大青年科研力度。这些措施对十年来我国科技创新发展的巨大变革起到了重要的推动作用。”