新一代“人造太陽”(HL-2M)裝置。
科技人員進行新一代“人造太陽”實驗前的檢查。
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”元素引發廣泛關注。你知道嗎?電影中的很多裝備在現實中都有原型。
“你們盡管想象，我們負責實現。”最近，社交媒體上，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)。網友們不禁熱血沸騰，紛紛感嘆，“原來中國科幻的背后是中國制造”。
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“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”。
這些裝置為何被稱為“人造太陽”?我們為什么要造“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西南物理研究院有關負責同志，讓我們一起跟隨“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，坐落著核工業西南物理研究院。這是我國最早從事核聚變能源開發的專業研究院。
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?面對記者的疑問，核工業西南物理研究院聚變科學所所長鐘武律給出了答案：“人造太陽”并不是真的造一個太陽，而是建一個裝置，利用太陽發光發熱的原理，持續可控地輸出能量。
“太陽為什么能夠持續發光發熱?是因為它時刻都在發生著核聚變反應。”鐘武律告訴記者，我們“造太陽”的最終目的是通過核聚變來發電。
眾所周知，能源危機被認為是人類社會發展面臨的最大難題。科學家們把視線轉向核能，而核能主要有核裂變和核聚變兩種形式。
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個或兩個以上較輕的原子核，從中釋放出能量。然而，鈾礦的儲量有限，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，并釋放出巨大能量，且單位質量下釋放的能量比裂變高得多。太陽的光和熱，就來源于核聚變反應釋放出的能量。
“核聚變能源的優勢非常明顯。一是燃料在地球上的儲量極為豐富;二是不產生高放射性核廢料，環境友好;三是具有固有安全性等優點。”鐘武律進一步解釋道。
記者了解到，支撐核聚變反應的主要原料可以從海水中提取。據測算，從一升海水中提取出的氘，經完全聚變反應后釋放的能量，足夠一輛汽車從北京開到海南。按照地球上的海水資源計算，理論上用于聚變反應釋放的能量足夠人類使用上百億年，幾乎無窮無盡。
數據最具說服力。據90后高級工程師、核工業西南物理研究院博士科普團金牌科普員鄭雪介紹，一座100萬千瓦的火電站，每年消耗煤炭約210萬噸;同等級的核電站，每年消耗濃縮鈾約30噸。而如果建造一座100萬千瓦的核聚變電站，每年僅需消耗燃料約0.12噸。
正因為此，核聚變能被認為是一種理想的“終極能源”，一旦成功應用，將從根本上解決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，就意味著人類制造核聚變反應成為了現實，但那是不可控的、瞬間的。我們‘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我們所用。”鐘武律說。
讓核聚變可控，這是一個世界級難題，必須要同時滿足三個非常苛刻的條件，也就是所謂的“聚變三乘積”。
“第一個是它需要上億攝氏度的高溫，因為只有溫度特別高，原子核才會‘跑’得更快。第二個是等離子體的密度要足夠高，這樣原子核之間碰撞發生聚合反應的概率就會提高。第三個就是要長時間地控制住這些原子核，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。只有這樣，才能夠使核聚變發生，并且持續下去。”鐘武律說。
上億度高溫是個什么概念?要知道，太陽的核心溫度也只有1500萬度至2000萬度。而地球上的金屬材料在1000度左右就會融化。聰明的科學家就利用強磁場，讓高溫的等離子體懸浮起來，從而實現與材料的隔離。也就是說，讓高溫等離子體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、1.5億度高溫
自主創新造就新一代“人造太陽”
王金，核工業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，他和同事們一起對HL-2M裝置進行了新的升級改造，為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、機柜圍繞在一個巨型“輪胎”狀機器周圍，令人眼花繚亂。然而，王金卻對這里的每一個零件都了如指掌。
“這上面數萬個零件，都是我和同事們親手安裝和調試的。”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，采用先進的結構與控制方式，等離子體體積達到國內現有裝置2倍以上，等離子體電流能力提高到2.5兆安培以上，等離子體離子溫度可達到1.5億攝氏度，能實現高密度、高比壓、高自舉電流運行。同時也是目前國際上首個具備在兆安培等離子體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臺。
“更為重要的是，裝置的核心部件都是我國自主設計建造。”鐘武律說。
據介紹，新一代“人造太陽”由真空室、線圈系統、發電機組和支撐結構等核心部件組成。其設計建造背后，有太多打破國外技術封鎖、填補國內空白的故事，大到真空室等核心部件，小到一枚枚特殊的膨脹螺栓，都不斷挑戰著國內相關工程技術水平極限。
“中間那個直徑約5米、高約3米的‘輪胎’狀設備就是真空室。”王金告訴記者，僅容器設計制造就經過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，不與任何材料接觸。而這個超真空環境，比宇宙空間環境的要求還要高好幾個數量級。在設計研發初期，科研團隊大量調研，走訪了10余家大型制造企業，卻因設計精度高、制造難度大、薄壁件焊接變形控制難、國內無相關經驗等原因被告知無法加工。團隊迅速將科學思維調整為工程思維，將科學設計參數細化為一個個可實現的工程圖紙，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，最終還是研發制造出了我國首臺D形截面特材雙層雙曲率薄壁件全焊接環狀超高真空容器，相關工藝和技術指標達到國際領先水平。
線圈系統也很重要，它要為HL-2M裝置開展放電實驗提供約5萬倍于地球磁場的強磁場，用以精確和穩定地控制上億度高溫等離子體。按照最初的設計，線圈制造“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制。最終首創了國內最大運行電流強磁場D形比特板式可拆分環向場線圈，突破國內大截面外方內圓異形無氧銅管原有產能極限，獨創性地掌握了國內大尺寸異形高強度鉻鋯銅材制造技術，多項工藝領先國外一流裝置。
不僅如此，裝置有關零部件的安裝精度和清潔度也有著極高要求。“我們真空室內安裝的部件共有4萬多個，全部由人工安裝，如果有任何一個部件沒有安裝牢固，或沒有在指定的位置就會造成幾百人的團隊實驗無法進行。同時，由于空間受限，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，是他面對的最大挑戰。
為了能保護好后面的各種測量器件，“第一壁”密布在整個真空室內部，包括多層功能性和結構性材料，大的有撲克牌大小，小的只有指頭大小。“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，而且作業空間十分受限。”據他回憶，整個“第一壁”的安裝就花了大半年，為了保證環境的潔凈，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，整個人就只剩下眼睛露在外面。
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裝置主機一墻之隔，是裝置的中央控制室。2月9日，聚變科學所控制與信息研究室年輕的90后主任李波在控制室內協調有關系統，對外圍輔助加熱系統進行測試實驗。
他還有一個稱呼——“‘人造太陽’的駕駛員”。“主要是負責設計打造和運行控制裝置的‘中樞神經’，最終實現對等離子體的控制。”李波解釋說。
當記者提起2022年10月HL-2M裝置創造的新紀錄——等離子體電流首次突破100萬安培(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，這是一個先決條件。“就像鉆木取火一樣，先實現聚變點火，后續只需持續加‘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，等離子體溫度、密度、能量約束時間三個變量參數的乘積，必須超過特定數值。而本次等離子體電流突破100萬安培，就意味著等離子體的密度極限和能量約束時間等關鍵參數有顯著提升。“這也就意味著我們距離聚變點火又邁進了重要一步，對我國深度參與目前全球最大的‘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。”李波說。
不過，每一次實驗、每一輪放電都會有新的問題等待解決。“如同老一輩‘造太陽’的人，我們也要一個山頭一個山頭地去攻克。”李波告訴記者，院所正在集聚各路精兵強將，整合多方優勢資源，院所兩級紀委加強監督聯動，全力保障基礎科研攻關，加快推進解決“人造太陽”關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于20世紀50年代，幾乎與國際上同步。歷經半個多世紀的發展，先后研制了多種類型的磁約束核聚變研究裝置，如脈沖磁鏡、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。“其實就是在一個大型環狀真空容器里面注滿氣體，然后把氣體電離變成等離子體，再用強磁場把帶電粒子控制住，讓它在真空容器里面懸浮起來。”鐘武律說。在此之前，核工業西南物理研究院還先后研發出HL-1、HL-1M、HL-2A系列裝置，其中HL-1是我國首個中型托卡馬克實驗裝置，被稱為我國首個“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，并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這個我國唯一一個具備開展堆芯級等離子體物理實驗能力的技術平臺，這群“造太陽”的人充滿信心，“未來HL-2M將繼續有條不紊開展后續實驗工作，沖擊更高的等離子體電流和離子溫度等參數，全面提升核聚變三參數，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。(本報記者 王珍)
