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問鼎人類終極能源中國人在奔跑——中國環流器二號 M 裝置建成
來源:尖兵之翼
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作者:盛安陵
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發布時間: 2020-12-30
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萬物生長靠太陽。支撐人類社會發展的一切能量來自太陽，而太陽的能量則來自核聚變......
2020 年初冬的一個下午，在成都西南角的中核集團核工業西南物理研究院，中國環流器指揮控制中心突然沸騰了。大家相互擊掌祝賀 , 有的人眼里還噙滿了淚花。此時，位于大廳中央的巨型屏幕上，一道電光閃過，稍作間歇又是一道，頻繁閃爍……由該院自主設計建造的新一代先進磁約束核聚變實驗研究裝置中國環流器二號 M 裝置（HL-2M）成功放電。“這標志著 HL-2M 已經建成。為了這一刻，大家拼搏了許多個日日夜夜。”中核集團核西物院中國環流器二號 M 項目負責人劉永說，“作為我國新建的的先進托卡馬克裝置，HL-2M 等離子體離子溫度可達到1.5 億攝氏度，可實現高密度、高比壓、高自舉電流運行，將大力提升我國堆芯級等離子體物理研究及相關關鍵技術研發先進水平，為我國深度參與 ITER 計劃及自主設計建造聚變堆提供重要技術支撐。”
ITER“衛星”
萬物生長靠太陽。支撐人類社會發展的一切能量來自太陽，而太陽的能量則來自核聚變。
其實，核聚變并不神秘，只要將氫的同位素氘和氚的原子核無限接近，使其發生聚變反應，就能釋放出巨大能量。然而，原理看似簡單，但要讓聚變反應持續可控，可以說難于上青天。
據劉永介紹，要實現可控核聚變反應，必須滿足三個苛刻條件：一是溫度要足夠高，使燃料變成超過1 億攝氏度的等離子體；二是密度要足夠高，這樣兩原子核發生碰撞的概率就大；三是等離子體在有限的空間里被約束足夠長時間。
這就是聚變界通常所說的“三乘積”中的要素——離子溫度、密度和能量約束時間。別小覷這三要素，自上世紀 50 年代至今，國際聚變界的科學家們可謂前赴后繼、攻堅克難、煞費苦心、孜孜不倦，但仍然面臨巨大的挑戰。為此，ITER 計劃被推出集全世界力量以攻克難關；中國成為七方重要成員之一。
其實，中國可控核聚變研究與世界幾乎同步。自1955 年錢三強、李正武等老一輩科學家提議開展“可控熱核反應”以來，取得了一系列重要科研成果。特別是 1965 年核西物院成立后，先后發展了脈沖磁鏡、一號（HL-1）。這是我國核聚變研究史上的一個重要里程碑，標志著我國可控核聚變研究從原理探索進入規模化實驗研究新階段。從此，中國核聚變研究由小到大、由弱到強，進入高質量發展的新階段。2002年，由核西物院建造的中國環流器二號 A（HL-2A）成為這一時期的代表。這也是我國第一個具有偏濾器位形的托卡馬克裝置。
劉永說：“HL-2M 裝置是 HL-2A 的改造升級裝置，是實現我國核聚變能開發事業跨越式發展的重要依托裝置，同時也是我國消化吸收 ITER 技術不可或缺的平臺。”據他介紹，自 2006 年國際啟動 ITER 計劃后，各國均是一方面積極參與 ITER 計劃，另一方面也在推動本國核聚變研究。有的是改進以前的科學裝置，有的是建設新的科學裝置，目的是在 ITER 建成前的這一段時間里，依托各自國內裝置和平臺全面掌握ITER 的技術和能力。
“對于中國人來說，若要在 ITER 上發揮更多作用，像 HL-2M 這樣高參數運行的裝置不可或缺，一方面支撐 ITER，為 ITER 開展預先研究、并探索相關物理與工程問題，另一方面就是作為我國可控核聚變人才培養的重要平臺。這是承上啟下的重要一步，不可逾越。”劉永補充道，“通常像 HL-2M 這樣的高參數運行裝置，可被稱為 ITER‘衛星’。而全世界正在運行的稱得上 ITER‘衛星’的科學裝置不多。HL-2M 名副其實。”
中國聚變不能只等 ITER
1984 年，核西物院建成了我國首座受控核聚變托卡馬克大科學裝置——中國環流器一號（HL-1），之后陸續建造中國環流器新一號 (HL-1M)、中國環流器二號 A(HL-2A)，HL-2M 是核西物院建造的第四座托卡馬克實驗裝置。在先進性方面，HL-2M 與前三個裝置相比有著跨越式的提升。
據劉永介紹，HL-2M 在裝置物理與結構設計、特殊材料研制與連接技術研發、關鍵部件制造與總裝集成等方面取得了多項突破。
的確，為了確保裝置的性能能夠滿足在堆芯級等離子體參數條件下開展物理實驗研究的要求， HL-2M 與 HL-2A 相比，裝置主機性能參數需大幅提升，為此，采用了更先進的結構與控制方式，造成工程技術難度及工藝復雜性大幅增加。
那么，核西物院為什么會選擇邁出跨越式發展這一步呢？ITER 計劃實施后，中國核聚變如何發展成為了擺在劉永等中國核聚變人面前無法回避的問題。當時，HL-2A 已經難以滿足核聚變研究的要求，他們亟需性能更高、參數指標與國際先進水平媲美的平臺做支撐。“當然，參數越接近 ITER 越有利于中國在全球核聚變領域發揮作用。但是，這是對國家綜合實力，特別是工業制造能力一項嚴峻的考驗。”劉永回憶道。
在前 ITER 時代，參數很低的裝置顯然沒有必要建造；但是對于建造參數高的裝置，中國技術積累夠不夠，是否具備建造能力，人才是否有支撐，經費是否能保障，成為一長串問題。決策保守，沒有創新性，價值有限，難以前進；決策冒進，我國工業基礎難以支撐，風險太大。如何平衡和把握先進性和可靠性之間的關系，成為了大家反復討論的焦點。但專家們最終的意見是：跳一跳，夠得著。
劉永再次強調說，中國聚變研究不能只等ITER。中國全方位參與 ITER，但也必須要有自己的研究計劃，為此必須要有 HL-2M 這樣能與國際一流比肩的裝置和平臺做支撐。
讓劉永等人慶幸的是，此項認知得到了政府主管部門、我國聚變研究領域的廣泛支持。HL-2M 于 2010 正式批復立項。
當然，在 ITER 計劃執行中，中國始終恪守國際承諾，相關企業和科研人員勇挑重擔，與國際同行齊心協力，為計劃的順利推進貢獻了中國智慧和中國力量。今年 7 月 28 日，在 ITER 計劃重大工程安裝正式啟動儀式上，國家主席習近平致賀信，并表示中國愿繼續同各方加強科研交流合作，合力突破重大關鍵科學和技術，推進全球科技創新，為增進各國人民福祉、實現全球可持續發展不斷作出新貢獻。
為人類核聚變事業貢獻中國力量
十年彈指一揮間。在這閃爍的電光之間，十年里的畫面一幕幕浮現在大家眼前。
為了成功制造 HL-2M 關鍵核心部件真空室，建造人員冉紅數次腰疾復發，她都強忍著堅守制造現場，解決一系列技術問題和難點，連續克服了數個技術瓶頸；同為建造人員的宋斌斌，累計駐廠近 5 年，連續3年放棄國慶假期和高溫假，堅守制造現場，即使車間高達 40℃以上，揮汗如雨的他也未曾離開；為了中心柱安裝萬無一失，線圈組負責人劉曉龍帶領團隊成員反復討論，一個月內做了十幾個方案，反復驗證， 甚至整個團隊放棄了 2018 年整個春節，在現場苦戰整整 3 個月；裝置工程聯調是裝置放電前的關鍵環節，需要上百個系統同時調試并達到運行條件。聯調協調人季小全一邊組織團隊討論調試方案和計劃、一邊組織專家討論解決技術難點，晚上還要協調各外協廠家加班加點趕進度，經常晚上最后一個走……
為了實現“跳一跳、夠得著”，HL-2M 中的不少材料和工藝都是前人沒有做過的。可以說，從裝置的前期調研、設計到建造、安裝，核西物院 HL-2M工程項目的科研人員、設計師、工程師和管理團隊300多人都不斷在向極限挑戰。
劉永說：“的確，現實情況比起初預想要困難得多，但是我堅信我們能夠成功，因為我們具備這個能力和水平。”
精誠所至，金石為開。在建設 HL-2M 裝置過程中，核西物院聯合國內多家研制單位，在裝置物理與結構設計、特殊材料研制、材料連接與關鍵部件研發、總裝集成等方面取得了多項突破，實現了可拆卸線圈結構，增強了控制運行水平，提升了裝置物理實驗研究能力；攻克了高鎳合金雙曲面薄壁件大型真空容器模壓成型和焊接變形控制等關鍵技術；掌握了具有國際先進水平的異形銅合金厚板材制造成型工藝，實現了高強度膨脹螺栓組件的自主國產化；研制成功國際先進水平的國內首臺大型立軸脈沖發電機組。
劉永說，HL-2M 裝置的建成，為開展堆芯級等離子體物理實驗提供了硬件平臺，將有助于提升我國核聚變能源領域的自主創新能力，為我國未來核聚變堆的自主設計與建造打下堅實基礎。
但他冷靜地說道，ITER 計劃是實現聚變能應用的關鍵一步，要實現聚變能的商用，還有很長的路要走，需要幾代核聚變人接力奔跑。核西物院將依托 HL-2M 這一先進平臺，培養并儲備一批核聚變領域年輕的技術研發人才與團隊，為人類核聚變事業貢獻中國智慧和中國力量。
ITER“衛星”
萬物生長靠太陽。支撐人類社會發展的一切能量來自太陽，而太陽的能量則來自核聚變。
其實，核聚變并不神秘，只要將氫的同位素氘和氚的原子核無限接近，使其發生聚變反應，就能釋放出巨大能量。然而，原理看似簡單，但要讓聚變反應持續可控，可以說難于上青天。
據劉永介紹，要實現可控核聚變反應，必須滿足三個苛刻條件：一是溫度要足夠高，使燃料變成超過1 億攝氏度的等離子體；二是密度要足夠高，這樣兩原子核發生碰撞的概率就大；三是等離子體在有限的空間里被約束足夠長時間。
這就是聚變界通常所說的“三乘積”中的要素——離子溫度、密度和能量約束時間。別小覷這三要素，自上世紀 50 年代至今，國際聚變界的科學家們可謂前赴后繼、攻堅克難、煞費苦心、孜孜不倦，但仍然面臨巨大的挑戰。為此，ITER 計劃被推出集全世界力量以攻克難關；中國成為七方重要成員之一。
其實，中國可控核聚變研究與世界幾乎同步。自1955 年錢三強、李正武等老一輩科學家提議開展“可控熱核反應”以來，取得了一系列重要科研成果。特別是 1965 年核西物院成立后，先后發展了脈沖磁鏡、一號（HL-1）。這是我國核聚變研究史上的一個重要里程碑，標志著我國可控核聚變研究從原理探索進入規模化實驗研究新階段。從此，中國核聚變研究由小到大、由弱到強，進入高質量發展的新階段。2002年，由核西物院建造的中國環流器二號 A（HL-2A）成為這一時期的代表。這也是我國第一個具有偏濾器位形的托卡馬克裝置。
劉永說：“HL-2M 裝置是 HL-2A 的改造升級裝置，是實現我國核聚變能開發事業跨越式發展的重要依托裝置，同時也是我國消化吸收 ITER 技術不可或缺的平臺。”據他介紹，自 2006 年國際啟動 ITER 計劃后，各國均是一方面積極參與 ITER 計劃，另一方面也在推動本國核聚變研究。有的是改進以前的科學裝置，有的是建設新的科學裝置，目的是在 ITER 建成前的這一段時間里，依托各自國內裝置和平臺全面掌握ITER 的技術和能力。
“對于中國人來說，若要在 ITER 上發揮更多作用，像 HL-2M 這樣高參數運行的裝置不可或缺，一方面支撐 ITER，為 ITER 開展預先研究、并探索相關物理與工程問題，另一方面就是作為我國可控核聚變人才培養的重要平臺。這是承上啟下的重要一步，不可逾越。”劉永補充道，“通常像 HL-2M 這樣的高參數運行裝置，可被稱為 ITER‘衛星’。而全世界正在運行的稱得上 ITER‘衛星’的科學裝置不多。HL-2M 名副其實。”
中國聚變不能只等 ITER
1984 年，核西物院建成了我國首座受控核聚變托卡馬克大科學裝置——中國環流器一號（HL-1），之后陸續建造中國環流器新一號 (HL-1M)、中國環流器二號 A(HL-2A)，HL-2M 是核西物院建造的第四座托卡馬克實驗裝置。在先進性方面，HL-2M 與前三個裝置相比有著跨越式的提升。
據劉永介紹，HL-2M 在裝置物理與結構設計、特殊材料研制與連接技術研發、關鍵部件制造與總裝集成等方面取得了多項突破。
的確，為了確保裝置的性能能夠滿足在堆芯級等離子體參數條件下開展物理實驗研究的要求， HL-2M 與 HL-2A 相比，裝置主機性能參數需大幅提升，為此，采用了更先進的結構與控制方式，造成工程技術難度及工藝復雜性大幅增加。
那么，核西物院為什么會選擇邁出跨越式發展這一步呢？ITER 計劃實施后，中國核聚變如何發展成為了擺在劉永等中國核聚變人面前無法回避的問題。當時，HL-2A 已經難以滿足核聚變研究的要求，他們亟需性能更高、參數指標與國際先進水平媲美的平臺做支撐。“當然，參數越接近 ITER 越有利于中國在全球核聚變領域發揮作用。但是，這是對國家綜合實力，特別是工業制造能力一項嚴峻的考驗。”劉永回憶道。
在前 ITER 時代，參數很低的裝置顯然沒有必要建造；但是對于建造參數高的裝置，中國技術積累夠不夠，是否具備建造能力，人才是否有支撐，經費是否能保障，成為一長串問題。決策保守，沒有創新性，價值有限，難以前進；決策冒進，我國工業基礎難以支撐，風險太大。如何平衡和把握先進性和可靠性之間的關系，成為了大家反復討論的焦點。但專家們最終的意見是：跳一跳，夠得著。
劉永再次強調說，中國聚變研究不能只等ITER。中國全方位參與 ITER，但也必須要有自己的研究計劃，為此必須要有 HL-2M 這樣能與國際一流比肩的裝置和平臺做支撐。
讓劉永等人慶幸的是，此項認知得到了政府主管部門、我國聚變研究領域的廣泛支持。HL-2M 于 2010 正式批復立項。
當然，在 ITER 計劃執行中，中國始終恪守國際承諾，相關企業和科研人員勇挑重擔，與國際同行齊心協力，為計劃的順利推進貢獻了中國智慧和中國力量。今年 7 月 28 日，在 ITER 計劃重大工程安裝正式啟動儀式上，國家主席習近平致賀信，并表示中國愿繼續同各方加強科研交流合作，合力突破重大關鍵科學和技術，推進全球科技創新，為增進各國人民福祉、實現全球可持續發展不斷作出新貢獻。
為人類核聚變事業貢獻中國力量
十年彈指一揮間。在這閃爍的電光之間，十年里的畫面一幕幕浮現在大家眼前。
為了成功制造 HL-2M 關鍵核心部件真空室，建造人員冉紅數次腰疾復發，她都強忍著堅守制造現場，解決一系列技術問題和難點，連續克服了數個技術瓶頸；同為建造人員的宋斌斌，累計駐廠近 5 年，連續3年放棄國慶假期和高溫假，堅守制造現場，即使車間高達 40℃以上，揮汗如雨的他也未曾離開；為了中心柱安裝萬無一失，線圈組負責人劉曉龍帶領團隊成員反復討論，一個月內做了十幾個方案，反復驗證， 甚至整個團隊放棄了 2018 年整個春節，在現場苦戰整整 3 個月；裝置工程聯調是裝置放電前的關鍵環節，需要上百個系統同時調試并達到運行條件。聯調協調人季小全一邊組織團隊討論調試方案和計劃、一邊組織專家討論解決技術難點，晚上還要協調各外協廠家加班加點趕進度，經常晚上最后一個走……
為了實現“跳一跳、夠得著”，HL-2M 中的不少材料和工藝都是前人沒有做過的。可以說，從裝置的前期調研、設計到建造、安裝，核西物院 HL-2M工程項目的科研人員、設計師、工程師和管理團隊300多人都不斷在向極限挑戰。
劉永說：“的確，現實情況比起初預想要困難得多，但是我堅信我們能夠成功，因為我們具備這個能力和水平。”
精誠所至，金石為開。在建設 HL-2M 裝置過程中，核西物院聯合國內多家研制單位，在裝置物理與結構設計、特殊材料研制、材料連接與關鍵部件研發、總裝集成等方面取得了多項突破，實現了可拆卸線圈結構，增強了控制運行水平，提升了裝置物理實驗研究能力；攻克了高鎳合金雙曲面薄壁件大型真空容器模壓成型和焊接變形控制等關鍵技術；掌握了具有國際先進水平的異形銅合金厚板材制造成型工藝，實現了高強度膨脹螺栓組件的自主國產化；研制成功國際先進水平的國內首臺大型立軸脈沖發電機組。
劉永說，HL-2M 裝置的建成，為開展堆芯級等離子體物理實驗提供了硬件平臺，將有助于提升我國核聚變能源領域的自主創新能力，為我國未來核聚變堆的自主設計與建造打下堅實基礎。
但他冷靜地說道，ITER 計劃是實現聚變能應用的關鍵一步，要實現聚變能的商用，還有很長的路要走，需要幾代核聚變人接力奔跑。核西物院將依托 HL-2M 這一先進平臺，培養并儲備一批核聚變領域年輕的技術研發人才與團隊，為人類核聚變事業貢獻中國智慧和中國力量。
工程師在做磁測量線圈定位檢測
工程師在真空室內進行關鍵部件質量檢測
