中央紀委國家監委網站 王珍

　　行星發動機、智能量子計算機、太空電梯……一段時間以來，電影《流浪地球2》中的“硬核科技”元素引發廣泛關(guan) 注。你知道嗎？電影中的很多裝備在現實中都有原型。

　　“你們(men) 盡管想象，我們(men) 負責實現。”最近，社交媒體(ti) 上，中核集團一張引爆網絡的海報，展示的便是電影中的行星發動機和現實中的中國新一代“人造太陽”裝置（HL-2M）、中國環流器二號A裝置（HL-2A）。網友們(men) 不禁熱血沸騰，紛紛感歎，“原來中國科幻的背後是中國製造”。

　　科幻照進現實。電影中行星發動機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(wei) “人造太陽”。其中，HL-2M裝置是我國目前規模最大、參數最高的磁約束核聚變實驗研究裝置。前不久，它入選了“2022年度央企十大國之重器”。

　　這些裝置為(wei) 何被稱為(wei) “人造太陽”？我們(men) 為(wei) 什麽(me) 要造“太陽”？新一代“人造太陽”實現了哪些技術突破和自主創新？記者近日采訪了中核集團核工業(ye) 西南物理研究院有關(guan) 負責同誌，讓我們(men) 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(chan) 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(ye) 西南物理研究院。這是我國最早從(cong) 事核聚變能源開發的專(zhuan) 業(ye) 研究院。

　　研究院聚變科學所那座建了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？麵對記者的疑問，核工業(ye) 西南物理研究院聚變科學所所長鍾武律給出了答案：“人造太陽”並不是真的造一個(ge) 太陽，而是建一個(ge) 裝置，利用太陽發光發熱的原理，持續可控地輸出能量。

　　“太陽為(wei) 什麽(me) 能夠持續發光發熱？是因為(wei) 它時刻都在發生著核聚變反應。”鍾武律告訴記者，我們(men) “造太陽”的最終目的是通過核聚變來發電。

　　眾(zhong) 所周知，能源危機被認為(wei) 是人類社會(hui) 發展麵臨(lin) 的最大難題。科學家們(men) 把視線轉向核能，而核能主要有核裂變和核聚變兩(liang) 種形式。

　　當前，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）通過核反應過程分裂成兩(liang) 個(ge) 或兩(liang) 個(ge) 以上較輕的原子核，從(cong) 中釋放出能量。然而，鈾礦的儲(chu) 量有限，長遠看仍難以滿足人類需求。

　　核聚變的過程正相反，是指由質量較輕的原子核在超高溫條件下聚合成較重原子核，並釋放出巨大能量，且單位質量下釋放的能量比裂變高得多。太陽的光和熱，就來源於(yu) 核聚變反應釋放出的能量。

　　“核聚變能源的優(you) 勢非常明顯。一是燃料在地球上的儲(chu) 量極為(wei) 豐(feng) 富；二是不產(chan) 生高放射性核廢料，環境友好；三是具有固有安全性等優(you) 點。”鍾武律進一步解釋道。

　　記者了解到，支撐核聚變反應的主要原料可以從(cong) 海水中提取。據測算，從(cong) 一升海水中提取出的氘，經完全聚變反應後釋放的能量，足夠一輛汽車從(cong) 北京開到海南。按照地球上的海水資源計算，理論上用於(yu) 聚變反應釋放的能量足夠人類使用上百億(yi) 年，幾乎無窮無盡。

　　數據最具說服力。據90後高級工程師、核工業(ye) 西南物理研究院博士科普團金牌科普員鄭雪介紹，一座100萬(wan) 千瓦的火電站，每年消耗煤炭約210萬(wan) 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(wan) 千瓦的核聚變電站，每年僅(jin) 需消耗燃料約0.12噸。

　　正因為(wei) 此，核聚變能被認為(wei) 是一種理想的“終極能源”，一旦成功應用，將從(cong) 根本上解決(jue) 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。“20世紀50年代，第一顆氫彈爆炸成功，就意味著人類製造核聚變反應成為(wei) 了現實，但那是不可控的、瞬間的。我們(men) ‘造太陽’，就是要通過某種特殊的途徑，將核聚變反應過程變得可控，讓它源源不斷地輸出聚變能為(wei) 我們(men) 所用。”鍾武律說。

　　讓核聚變可控，這是一個(ge) 世界級難題，必須要同時滿足三個(ge) 非常苛刻的條件，也就是所謂的“聚變三乘積”。

　　“第一個(ge) 是它需要上億(yi) 攝氏度的高溫，因為(wei) 隻有溫度特別高，原子核才會(hui) ‘跑’得更快。第二個(ge) 是等離子體(ti) 的密度要足夠高，這樣原子核之間碰撞發生聚合反應的概率就會(hui) 提高。第三個(ge) 就是要長時間地控製住這些原子核，也就是說要將高溫高密度的核反應條件維持足夠長的時間。隻有這樣，才能夠使核聚變發生，並且持續下去。”鍾武律說。

　　上億(yi) 度高溫是個(ge) 什麽(me) 概念？要知道，太陽的核心溫度也隻有1500萬(wan) 度至2000萬(wan) 度。而地球上的金屬材料在1000度左右就會(hui) 融化。聰明的科學家就利用強磁場，讓高溫的等離子體(ti) 懸浮起來，從(cong) 而實現與(yu) 材料的隔離。也就是說，讓高溫等離子體(ti) 在磁場約束下進行聚變反應。

　　最高可達2.5兆安培以上電流、1.5億(yi) 度高溫

　　自主創新造就新一代“人造太陽”

　　王金，核工業(ye) 西南物理研究院的一名資深高級技師。

　　對實驗數據進行比對分析，對主機真空室進行查漏檢修……最近，他和同事們(men) 一起對HL-2M裝置進行了新的升級改造，為(wei) 即將到來的下一輪放電實驗做準備。

　　在新一代“人造太陽”的主機機房，各種管線、機櫃圍繞在一個(ge) 巨型“輪胎”狀機器周圍，令人眼花繚亂(luan) 。然而，王金卻對這裏的每一個(ge) 零件都了如指掌。

　　“這上麵數萬(wan) 個(ge) 零件，都是我和同事們(men) 親(qin) 手安裝和調試的。”王金言語中透著自豪。

　　記者了解到，HL-2M裝置是我國目前規模最大、參數最高的磁約束核聚變實驗研究裝置，采用先進的結構與(yu) 控製方式，等離子體(ti) 體(ti) 積達到國內(nei) 現有裝置2倍以上，等離子體(ti) 電流能力提高到2.5兆安培以上，等離子體(ti) 離子溫度可達到1.5億(yi) 攝氏度，能實現高密度、高比壓、高自舉(ju) 電流運行。同時也是目前國際上首個(ge) 具備在兆安培等離子體(ti) 電流下實現多種先進偏濾器位形能力的核聚變先進研究平台。

　　“更為(wei) 重要的是，裝置的核心部件都是我國自主設計建造。”鍾武律說。

　　據介紹，新一代“人造太陽”由真空室、線圈係統、發電機組和支撐結構等核心部件組成。其設計建造背後，有太多打破國外技術封鎖、填補國內(nei) 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，都不斷挑戰著國內(nei) 相關(guan) 工程技術水平極限。

　　“中間那個(ge) 直徑約5米、高約3米的‘輪胎’狀設備就是真空室。”王金告訴記者，僅(jin) 容器設計製造就經過6年的艱難探索。

　　據介紹，HL-2M裝置主要是靠強磁場將高溫離子約束在真空環境中，不與(yu) 任何材料接觸。而這個(ge) 超真空環境，比宇宙空間環境的要求還要高好幾個(ge) 數量級。在設計研發初期，科研團隊大量調研，走訪了10餘(yu) 家大型製造企業(ye) ，卻因設計精度高、製造難度大、薄壁件焊接變形控製難、國內(nei) 無相關(guan) 經驗等原因被告知無法加工。團隊迅速將科學思維調整為(wei) 工程思維，將科學設計參數細化為(wei) 一個(ge) 個(ge) 可實現的工程圖紙，以共同研發和手把手教學的方式指導廠家加工。這對長期從(cong) 事基礎科研、缺乏工程經驗的團隊來說，壓力巨大。不過，最終還是研發製造出了我國首台D形截麵特材雙層雙曲率薄壁件全焊接環狀超高真空容器，相關(guan) 工藝和技術指標達到國際領先水平。

　　線圈係統也很重要，它要為(wei) HL-2M裝置開展放電實驗提供約5萬(wan) 倍於(yu) 地球磁場的強磁場，用以精確和穩定地控製上億(yi) 度高溫等離子體(ti) 。按照最初的設計，線圈製造“利舊改造”，是當時最可靠、最高效的方案。然而科研團隊卻選擇重新研製。最終首創了國內(nei) 最大運行電流強磁場D形比特板式可拆分環向場線圈，突破國內(nei) 大截麵外方內(nei) 圓異形無氧銅管原有產(chan) 能極限，獨創性地掌握了國內(nei) 大尺寸異形高強度鉻鋯銅材製造技術，多項工藝領先國外一流裝置。

　　不僅(jin) 如此，裝置有關(guan) 零部件的安裝精度和清潔度也有著極高要求。“我們(men) 真空室內(nei) 安裝的部件共有4萬(wan) 多個(ge) ，全部由人工安裝，如果有任何一個(ge) 部件沒有安裝牢固，或沒有在指定的位置就會(hui) 造成幾百人的團隊實驗無法進行。同時，由於(yu) 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。”王金介紹，真空環境外的第一道“防線”——“第一壁”的安裝，是他麵對的最大挑戰。

　　為(wei) 了能保護好後麵的各種測量器件，“第一壁”密布在整個(ge) 真空室內(nei) 部，包括多層功能性和結構性材料，大的有撲克牌大小，小的隻有指頭大小。“聽起來好像是‘貼瓷磚’一樣簡單，但對間隙和平整度的要求極高，相鄰兩(liang) 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(ye) 空間十分受限。”據他回憶，整個(ge) “第一壁”的安裝就花了大半年，為(wei) 了保證環境的潔淨，工作時還需要換上全套防塵服，外加手套、口罩、發套和安全帽，整個(ge) 人就隻剩下眼睛露在外麵。

　　不斷取得新突破、不斷創造新紀錄

　　核聚變點火正逐漸走向現實

　　HL-2M裝置主機一牆之隔，是裝置的中央控製室。2月9日，聚變科學所控製與(yu) 信息研究室年輕的90後主任李波在控製室內(nei) 協調有關(guan) 係統，對外圍輔助加熱係統進行測試實驗。

　　他還有一個(ge) 稱呼——“‘人造太陽’的駕駛員”。“主要是負責設計打造和運行控製裝置的‘中樞神經’，最終實現對等離子體(ti) 的控製。”李波解釋說。

　　當記者提起2022年10月HL-2M裝置創造的新紀錄——等離子體(ti) 電流首次突破100萬(wan) 安培（1兆安），李波頗顯激動。據他介紹，要想實現核聚變發電，首先要實現聚變點火，這是一個(ge) 先決(jue) 條件。“就像鑽木取火一樣，先實現聚變點火，後續隻需持續加‘柴’就可持續對外輸出能量。”

　　不過，點一把柴火容易，核聚變點火難。如前文所介紹的那樣，等離子體(ti) 溫度、密度、能量約束時間三個(ge) 變量參數的乘積，必須超過特定數值。而本次等離子體(ti) 電流突破100萬(wan) 安培，就意味著等離子體(ti) 的密度極限和能量約束時間等關(guan) 鍵參數有顯著提升。“這也就意味著我們(men) 距離聚變點火又邁進了重要一步，對我國深度參與(yu) 目前全球最大的‘人造太陽’——國際熱核聚變實驗堆ITER實驗及自主設計運行聚變堆具有重要意義(yi) 。”李波說。

　　不過，每一次實驗、每一輪放電都會(hui) 有新的問題等待解決(jue) 。“如同老一輩‘造太陽’的人，我們(men) 也要一個(ge) 山頭一個(ge) 山頭地去攻克。”李波告訴記者，院所正在集聚各路精兵強將，整合多方優(you) 勢資源，院所兩(liang) 級紀委加強監督聯動，全力保障基礎科研攻關(guan) ，加快推進解決(jue) “人造太陽”關(guan) 鍵核心技術卡脖子難題。

　　據介紹，我國的可控核聚變實驗研究始於(yu) 20世紀50年代，幾乎與(yu) 國際上同步。曆經半個(ge) 多世紀的發展，先後研製了多種類型的磁約束核聚變研究裝置，如脈衝(chong) 磁鏡、角向箍縮裝置、仿星器、超導磁鏡、托卡馬克。

　　當前主流的“人造太陽”裝置為(wei) 托卡馬克，HL-2M裝置就是一種托卡馬克裝置。“其實就是在一個(ge) 大型環狀真空容器裏麵注滿氣體(ti) ，然後把氣體(ti) 電離變成等離子體(ti) ，再用強磁場把帶電粒子控製住，讓它在真空容器裏麵懸浮起來。”鍾武律說。在此之前，核工業(ye) 西南物理研究院還先後研發出HL-1、HL-1M、HL-2A係列裝置，其中HL-1是我國首個(ge) 中型托卡馬克實驗裝置，被稱為(wei) 我國首個(ge) “人造太陽”實驗裝置。

　　2006年，中國、歐盟、美國、俄羅斯、日本、韓國和印度共同簽署了ITER項目啟動協定，該項目是目前全球規模最大、影響最深遠的國際大科學工程之一，同時也是中國以平等身份參加的最大國際科技合作項目，並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已達到國際領先水平。

　　“實現核聚變點火正逐漸走向現實。”對HL-2M這個(ge) 我國唯一一個(ge) 具備開展堆芯級等離子體(ti) 物理實驗能力的技術平台，這群“造太陽”的人充滿信心，“未來HL-2M將繼續有條不紊開展後續實驗工作，衝(chong) 擊更高的等離子體(ti) 電流和離子溫度等參數，全麵提升核聚變三參數，實現我國‘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(ti) 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燃了篝火——發光發亮，充滿希望。”李波感慨道，期待我國的一盞盞燈早日被核聚變能點亮。