中國環流器二號M裝置建成：問鼎人類終極能源 中國人在奔跑

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12月4日下午，在成都西南角的中核集團核工業西南物理研究院（簡稱核西物院），中國環流器指揮控制中心突然沸騰了。大家相互擊掌祝賀,有的人眼裡還噙滿了淚花。

此時，位於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。

「這標誌著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託卡馬克裝置，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，核聚變並不神秘，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，可以說難於上青天。

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裡被約束足夠長時間。

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後繼、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年核西物院成立後，先後發展了脈衝磁鏡、角向箍縮裝置、仿星器、超導磁鏡、反場箍縮裝置和託卡馬克等多種類型的磁約束聚變研究裝置。其中，最為典型的是1984年在四川樂山建成的中國環流器一號（HL-1）。這是我國核聚變研究史上的一個重要裡程碑，標誌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託卡馬克裝置。

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託裝置，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計劃後，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裡，依託各自國內裝置和平臺全面掌握ITER的技術和能力。

「對於中國人來說，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、並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託卡馬克大科學裝置——中國環流器一號（HL-1），之後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託卡馬克實驗裝置。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、特殊材料研製與連接技術研發、關鍵部件製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，採用了更先進的結構與控制方式，造成工程技術難度及工藝複雜性大幅增加。

那麼，核西物院為什麼會選擇邁出跨越式發展這一步呢？

ITER計劃實施後，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迴避的問題。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越有利於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，特別是工業製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；但是對於建造參數高的裝置，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係，成為了大家反覆討論的焦點。但專家們最終的意見是：努力跳，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於2009年由國家原子能機構批覆立項，由核西物院自主設計建造。

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，並表示中國願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，十年裡的畫面一幕幕浮現在大家眼前。

為了成功製造HL-2M關鍵核心部件真空室，建造人員冉紅數次腰疾復發，她都強忍著堅守製造現場，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，堅守製造現場，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覆討論，一個月內做了十幾個方案，反覆驗證，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並達到運行條件。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，經常晚上最後一個走……

為了實現「努力跳、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製單位，在裝置物理與結構設計、特殊材料研製、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製造成型工藝，實現了高強度膨脹螺栓組件的自主國產化；研製成功國際先進水平的國內首臺大型立軸脈衝發電機組。

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體平臺，將有助於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。核西物院將依託HL-2M這一先進平臺，培養並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。

作者：盛安陵

責編：鄭欣

審校：段新瑞