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为中国人实现核聚变清洁能源梦想 接力造“太阳”

作者:华西都市报
文长3175 - 时长8分

摘要:
今年,由中核集团核工业西南物理研究院承担的中国环流器二号M装置项目正式启动安装。这个大型常规磁体托卡马克核聚变研究装置意在通过可控热核聚变方式,研究清洁能源的产生。这也是在核西物院里诞生的新一代“人造太阳”。

中国环流器HL-2A。

中国环流器HL-2M装置线圈。

儿歌《种太阳》唱出这样的愿望:长大以后能播种太阳。实际上,从上世纪60年代起,中国就有这样一群人前赴后继,实践着再造一个“太阳”的计划。

太阳之所以能够持续发光发热,是因为它时刻发生着核聚变反应。这个已延续半个世纪的工程,也正是基于该原理,以期建造一个能够可控输出能量的核聚变装置(俗称“人造太阳”),从而实现人们对于新能源的需求。

今年,由中核集团核工业西南物理研究院(简称核西物院)承担的中国环流器二号M装置项目正式启动安装。这个大型常规磁体托卡马克核聚变研究装置意在通过可控热核聚变方式,研究清洁能源的产生。这也是在核西物院里诞生的新一代“人造太阳”。

中国环流器二号M装置项目总工程师杨青巍说他是幸运的,因为他几乎参与了每一次的“迭代升级”,也正在见证中国于核聚变研究领域“由量变到质变”。

核聚变的研究,外人看来好像一眼望不到尽头。杨青巍却笑称大有乐趣,“就像陈景润乐意窝在那个六平方米的空间里解析哥德巴赫猜想一样,我们总在发现别人发现不了的东西。”

杨青巍认为,中国目前核聚变的研究只能说在某些技术上有所突破,并非全面跟上或赶超。但如果中国聚变工程实验堆(CFETR)计划得以完成,中国则可能实现真正的“领跑”。而那时,中国人离实现核聚变清洁能源的梦想将又跨近一步。

白手起家

“跟跑”时,研究仪器全靠自己组装焊接

“老了。”被问及这近四十年在核西物院里感受到的最大变化,杨青巍仰头一笑后,凝望着远方,“原来都这么多年了,过得真是挺快的。”1983年,中国环流器一号(HL-1)即中国自己设计制造的第一代“人造太阳”的安装进入了最后阶段,而从中国科学技术大学毕业的杨青巍则刚踏入核西物院的大门,“那时上蹿下跳跟着老前辈们做一些辅助性的工作。”而到了中国环流器二号A装置(HL-2A)的安装建设时,从诊断设计到早期的试验运行,杨青巍已是独当一面了,“成自己的孩子了,到了现在更是。”话毕,他指了指核西物院的试验大厅,这里新一代“人造太阳”中国环流器二号M装置正在进行核心部分线圈的安装。而杨青巍,正是这个项目的总工程师。

中国人造太阳迭代的背后,是科研人员接力坚守的身影。始建于1965年的核西物院,最初选址于四川乐山市市郊肖坝。这个坐落于群山的研究院,基础设施及生活条件非常有限。

杨青巍回忆,通往研究院的路几乎都是又窄又泥泞的田埂,买菜得背个背篓下山至乐山城边上的斑竹湾,一路上,掉田里或是被蛇咬的情况不在少数。实验条件更是因陋就简。“不仅要花一半的时间研究仪器,还要花一半时间当工人。”杨青巍开玩笑说,电子仪器说到底不过电容、电阻和三极管的组合,买不到就自己将电容一个接一个焊接起来。没有现成的机箱,就到工厂用铝型材或钢筋加工,里面的绝缘材料和电路板也全靠自己焊接。与徒手制造零部件相比,没有图纸和相关技术资料的支持,则是当时科研人员攻克“人造太阳”最大的难关。“七十年代末,工业基础和研发积累远不如国外。我们能得到的相关资料,不过是其他国家在核聚变领域所发表的论文,凭借这些零星的资料,老一辈做研发基本全靠自己琢磨。”杨青巍形容,当其他国家在这一领域一溜烟地往前跑时,国内还处于起步跟跑的状态。

如今,在乐山的研究院旧址,仍然放置着中国环流器一号以及环流器工作时所需的其他设备,并开放为中国核聚变博物馆,以此留住中国核工业徒手起步的峥嵘岁月。

行囊之变

折射出与国际核聚变研究“并跑”之路

伴随着与国外交流机会的增多,杨青巍从藏在大家出国“行囊”里的变化,感受到了差距在缩小。

上世纪八十年代以前“出门”机会少且“怯生”,“口袋里没装什么研究成果,英语口语也不好的老一辈只能带着‘眼睛’去看看别人手中的英文、俄文资料。”而到了八十年代末期,研究人员可以带着“耳朵”坐上国际交流的圆桌,开始能听懂别人到底说了什么。“九十年代时,我们则是带着‘脑子’去的,因为要思考别人做了什么,我们又能做什么。”杨青巍比喻,跨入新千年,大家可以带着“嘴巴”前往了,因为要去争取“在同一平台上,我们能做什么了”。

这些“行囊”伴随的是中国核聚变研究奋起直追的步伐。八十年代末,中国环流器一号装置(HL-1)已经开展了等离子体研究,且达到了国际同类装置中等离子体参数的国际水平;而后,中国环流器新一号(HL-1M)被改造出世,并取得了一批具有特色的、达到国际先进水平的实验成果;2006年,中国环流器二号A装置(HL-2A)将等离子体电子温度提升到了5500万度,标志着中国人向聚变装置点火所需的1亿度高温迈进了一大步。

也就在2006年11月21日,全球科学家催生建造的国际热核实验堆计划(简称ITER计划)签署协议,我国也成为ITER计划的七个成员之一。

早在2002、2003年时杨青巍就开始为中国加入ITER计划作前期准备。“作为理事方之一的中国,自然也要去‘认购’一部分设备的研发,如何分工、各个部分多少钱,甚至‘是否要加班’之类工作文化的认同上,大家都要进行协商。”

如果单纯讨论科研问题还算容易,但用英语争论“鸡毛蒜皮”却让杨青巍犯了难。口头交涉僵持不下,大家就坐下来把想说的都写在纸上进行交流。最终,欧盟认领了大半任务,而中国则承担起其中约9%的研发制造,核西物院则承担了其中约一半部件的研发。

未来展望

主导CFETR计划将助力中国实现“领跑”

加入ITER计划后,中国在核聚变领域的研究被认为从“跟跑”进阶到了“并跑”。

何时到“领跑”?杨青巍的回答客观而严谨。“科学研究依靠的是时间和资金的积累,中国目前核聚变的研究只能说在某些技术上有所突破,并非达到全面跟上或赶超。”但同时,他提到了目前正在进行第二轮设计的中国聚变工程实验堆(CFETR)计划。“这个是完全由中国主导的。如果完成,中国则可能实现真正的‘领跑’。”

杨青巍解释,目前已有的装置,其实都并没有解决“永不枯竭的能源”问题。“在ITER计划前,我们的研发制造装置是为了一步步验证其工程技术以及科学可行性,并研究解决其中产生的物理问题。而位于法国的ITER项目就将真正计划进行以氘(dāo)氚(chuān)为燃料反应的实验。”

但这都还未达到最终目的。ITER计划将于2025年基本组装完毕,2035年整体建设完成进入全负荷实验,并力争在2050年进行商业投产。而中国的CFETR反应堆,则旨在建起ITER和未来核聚变电厂之间的桥梁。据悉,CFETR建成后,将是一个和北京天坛祈年殿一样大小、与一艘航母重量相当的超大型核聚变反应装置。“真正实现能够用清洁能源发电之后,还要考虑商业可行性的问题。”杨青巍坦言,“人造太阳”这一棒,还要接力下去。我国核聚变研究起步时,在大型现代化专业研究所的建设方面,除了中核集团所属的核西物院外,还建成了中国科学院所属的等离子体物理研究所(ASIPP)。此外,在中国科技大学、大连理工大学等高等院校中也建立起了核聚变及等离子体物理专业或研究室,逐渐壮大研究力量。这十几年,在世界物理学最顶级学术期刊《物理评论快报》上,由国人发表的核聚变论文已达数十篇。杨青巍介绍,每一年核聚变界能在上面发表的论文不过以个位数记。

而就在这几年,更令他惊讶的是,一家民营企业也加入了研究阵营,投入了以亿计的资金。“这个项目不是短时间就能出成果的,虽然不知道其具体的想法和布局是什么,但我想也许他嗅到了我们还未察觉的信号。”

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来源:华西都市报

封面图:核西物院

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