#逐“日”追光 走近中国新一代“人工太阳”HL-2M#
逐“日”追光
走近中国新一代“人工太阳”HL-2M
行星发动机、智能量子核算机、太空电梯……一段时刻以来，电影《流浪地球2》中的“硬核科技”元素引发广泛关注。你知道吗？电影中的许多配备在实际中都有原型。
“你们虽然幻想，咱们担任完成。”最近，交际媒体上，中核集团一张引爆网络的海报，展现的便是电影中的行星发动机和实际中的中国新一代“人工太阳”设备(HL-2M)、中国环流器二号A设备(HL-2A)。网友们不由热血沸腾，纷繁感叹，“本来中国科幻的背面是中国制作”。
科幻照进实际。电影中行星发动机推动地球运用的是核聚变开释的能量，而HL-2M、HL-2A正是我国探究受控核聚变的重要设备，被称为“人工太阳”。其间，HL-2M设备是我国现在规划最大、参数最高的磁束缚核聚变试验研讨设备。前不久，它当选了“2022年度央企十大国之重器”。
这些设备为何被称为“人工太阳”？咱们为什么要造“太阳”？新一代“人工太阳”完成了哪些技能打破和自主立异？记者近来采访了中核集团核工业西南物理研讨院有关担任同志，让咱们一起跟从“造太阳”的人，探寻新一代“人工太阳”的奥妙。
质料取用不尽、燃耗低能量大、产品清洁友爱
受控核聚变，理想的“终极动力”
四川成都双流西南航空港，坐落着核工业西南物理研讨院。这是我国最早从事核聚变动力开发的专业研讨院。
研讨院聚变科学所那座建了22年的老楼，便是新一代“人工太阳”的“家”。
人类真的可以造太阳吗？面临记者的疑问，核工业西南物理研讨院聚变科学所所长钟武律给出了答案：“人工太阳”并不是真的造一个太阳，而是建一个设备，运用太阳发光发热的原理，持续可控地输出能量。
“太阳为什么能够持续发光发热？是因为它时刻都在产生着核聚变反响。”钟武律奉告记者，咱们“造太阳”的终究意图是经过核聚变来发电。
众所周知，动力危机被认为是人类社会展开面临的最大难题。科学家们把视野转向核能，而核能主要有核裂变和核聚变两种方法。
其时，世界上商用的核电站运用的是核裂变能，即由较重的原子核(如铀)经过核反响进程分裂成两个或两个以上较轻的原子核，从中开释出能量。但是，铀矿的储量有限，长远看仍难以满意人类需求。
核聚变的进程正相反，是指由质量较轻的原子核在超高温条件下聚组成较重原子核，并开释出巨大能量，且单位质量下开释的能量比裂变高得多。太阳的光和热，就来源于核聚变反响开释出的能量。
“核聚变动力的优势非常显着。一是燃料在地球上的储量极为丰厚；二是不产生高放射性核废料，环境友爱；三是具有固有安全性等长处。”钟武律进一步解说道。
记者了解到，支撑核聚变反响的主要质料可以从海水中提取。据测算，从一升海水中提取出的氘，经彻底聚变反响后开释的能量，满意一辆轿车从北京开到海南。依照地球上的海水资源核算，理论上用于聚变反响开释的能量满意人类运用上百亿年，简直无穷无尽。
数据最具说服力。据90后高级工程师、核工业西南物理研讨院博士科普团金牌科普员郑雪介绍，一座100万千瓦的火电站，每年耗费煤炭约210万吨；同等级的核电站，每年耗费浓缩铀约30吨。而如果制作一座100万千瓦的核聚变电站，每年仅需耗费燃料约0.12吨。
正因为此，核聚变能被认为是一种理想的“终极动力”，一旦成功使用，将从根本上处理人类对动力的需求问题。
不过，想要运用核聚变能，还有必要要让核聚变变得可控。“20世纪50年代，第一颗氢弹爆破成功，就意味着人类制作核聚变反响成为了实际，但那是不可控的、瞬间的。咱们‘造太阳’，便是要经过某种特别的途径，将核聚变反响进程变得可控，让它源源不断地输出聚变能为咱们所用。”钟武律说。
让核聚变可控，这是一个世界级难题，有必要要一同满意三个非常严苛的条件，也便是所谓的“聚变三乘积”。
“第一个是它需要上亿摄氏度的高温，因为只要温度特别高，原子核才会‘跑’得更快。第二个是等离子体的密度要满意高，这样原子核之间磕碰产生聚合反响的概率就会进步。第三个便是要长时刻地操控住这些原子核，也便是说要将高温高密度的核反响条件保持满意长的时刻。只要这样，才能够使核聚变产生，并且持续下去。”钟武律说。
上亿度高温是个什么概念？要知道，太阳的中心温度也只要1500万度至2000万度。而地球上的金属资料在1000度左右就会消融。聪明的科学家就运用强磁场，让高温的等离子体悬浮起来，然后完成与资料的阻隔。也便是说，让高温等离子体在磁场束缚下进行聚变反响。
最高可达2.5兆安培以上电流、1.5亿度高温自主立异造就新一代“人工太阳”
王金，核工业西南物理研讨院的一名资深高级技师。
对试验数据进行比对分析，对主机真空室进行查漏检修……最近，他和搭档们一起对HL-2M设备进行了新的晋级改造，为行将到来的下一轮放电试验做准备。
在新一代“人工太阳”的主机机房，各种管线、机柜围绕在一个巨型“轮胎”状机器周围，令人目不暇接。但是，王金却对这儿的每一个零件都一目了然。
“这上面数万个零件，都是我和搭档们亲手设备和调试的。”王金言语中透着骄傲。
记者了解到，HL-2M设备是我国现在规划最大、参数最高的磁束缚核聚变试验研讨设备，选用先进的结构与操控方法，等离子体体积到达国内现有设备2倍以上，等离子体电流才能进步到2.5兆安培以上，等离子体离子温度可到达1.5亿摄氏度，能完成高密度、高比压、高自举电流运转。一同也是现在世界上首个具有在兆安培等离子体电流下完成多种先进偏滤器位形才能的核聚变先进研讨渠道。
“更为重要的是，设备的中心部件都是我国自主规划制作。”钟武律说。
据介绍，新一代“人工太阳”由真空室、线圈体系、发电机组和支撑结构等中心部件组成。其规划制作背面，有太多打破国外技能封闭、填补国内空白的故事，大到真空室等中心部件，小到一枚枚特别的膨胀螺栓，都不断应战着国内相关工程技能水平极限。
“中心那个直径约5米、高约3米的‘轮胎’状设备便是真空室。”王金奉告记者，仅容器规划制作就经过6年的困难探究。
据介绍，HL-2M设备主要是靠强磁场将高温离子束缚在真空环境中，不与任何资料触摸。而这个超真空环境，比宇宙空间环境的要求还要高好几个数量级。在规划研发初期，科研团队很多调研，造访了10余家大型制作企业，却因规划精度高、制作难度大、薄壁件焊接变形操控难、国内无相关经历等原因被奉告无法加工。团队迅速将科学思想调整为工程思想，将科学规划参数细化为一个个可完成的工程图纸，以一起研发和手把手教育的方法辅导厂家加工。这对长时刻从事根底科研、缺少工程经历的团队来说，压力巨大。不过，终究仍是研发制作出了我国首台D形截面特材双层双曲率薄壁件全焊接环状超高真空容器，相关工艺和技能指标到达世界抢先水平。
线圈体系也很重要，它要为HL-2M设备展开放电试验供给约5万倍于地球磁场的强磁场，用以准确和稳定地操控上亿度高温等离子体。依照开始的规划，线圈制作“利旧改造”，是其时最牢靠、最高效的计划。但是科研团队却挑选从头研发。终究创始了国内最大运转电流强磁场D形比特板式可拆分环向场线圈，打破国内大截面外方内圆异形无氧铜管原有产能极限，首创性地把握了国内大尺度异形高强度铬锆铜材制作技能，多项工艺抢先国外一流设备。
不仅如此，设备有关零部件的设备精度和清洁度也有着极高要求。“咱们真空室内设备的部件共有4万多个，全部由人工设备，如果有任何一个部件没有设备结实，或没有在指定的方位就会形成几百人的团队试验无法进行。一同，因为空间受限，一切部件都是紧凑型，需要一层一层设备上去，设备难度大。”王金介绍，真空环境外的第一道“防地”——“第一面”的设备，是他面临的最大应战。
为了能保护好后边的各种丈量器材，“第一面”布满在整个真空室内部，包含多层功能性和结构性资料，大的有扑克牌巨细，小的只要指头巨细。“听起来好像是‘贴瓷砖’相同简略，但对空隙和平整度的要求极高，相邻两块资料之间的高度差不能超越1毫米、空隙不能超越2毫米，并且作业空间非常受限。”据他回想，整个“第一面”的设备就花了大半年，为了确保环境的洁净，工作时还需要换上全套防尘服，外加手套、口罩、发套和安全帽，整个人就只剩余眼睛露在外面。
不断获得新打破、不断发明新纪录核聚变焚烧正逐渐走向实际
HL-2M设备主机一墙之隔，是设备的中央操控室。2月9日，聚变科学所操控与信息研讨室年青的90后主任李波在操控室内和谐有关体系，对外围辅佐加热体系进行测验试验。
他还有一个称号——“‘人工太阳’的驾驶员”。“主要是担任规划打造和运转操控设备的‘中枢神经’，终究完成对等离子体的操控。”李波解说说。
当记者提起2022年10月HL-2M设备发明的新纪录——等离子体电流初次打破100万安培(1兆安)，李波颇显激动。据他介绍，要想完成核聚变发电，首先要完成聚变焚烧，这是一个先决条件。“就像钻木取火相同，先完成聚变焚烧，后续只需持续加‘柴’就可持续对外输出能量。”
不过，点一把柴火容易，核聚变焚烧难。如前文所介绍的那样，等离子体温度、密度、能量束缚时刻三个变量参数的乘积，有必要超越特定数值。而本次等离子体电流打破100万安培，就意味着等离子体的密度极限和能量束缚时刻等要害参数有明显提高。“这也就意味着咱们间隔聚变焚烧又迈进了重要一步，对我国深度参与现在全球最大的‘人工太阳’——世界热核聚变试验堆ITER试验及自主规划运转聚变堆具有重要意义。”李波说。
不过，每一次试验、每一轮放电都会有新的问题等候处理。“好像老一辈‘造太阳’的人，咱们也要一个山头一个山头地去霸占。”李波奉告记者，院所正在集聚各路兵强马壮，整合多方优势资源，院所两级纪委加强监督联动，全力保证根底科研攻关，加速推动处理“人工太阳”要害中心技能卡脖子难题。
据介绍，我国的可控核聚变试验研讨始于20世纪50年代，简直与世界上同步。历经半个多世纪的展开，先后研发了多种类型的磁束缚核聚变研讨设备，如脉冲磁镜、角向箍缩设备、仿星器、超导磁镜、托卡马克。
其时干流的“人工太阳”设备为托卡马克，HL-2M设备便是一种托卡马克设备。“其实便是在一个大型环状真空容器里边注满气体，然后把气体电离变成等离子体，再用强磁场把带电粒子操控住，让它在真空容器里边悬浮起来。”钟武律说。在此之前，核工业西南物理研讨院还先后研宣布HL-1、HL-1M、HL-2A系列设备，其间HL-1是我国首个中型托卡马克试验设备，被称为我国首个“人工太阳”试验设备。
2006年，中国、欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国和印度一起签署了ITER项目发动协议，该项目是现在全球规划最大、影响最深远的世界大科学工程之一，一同也是中国以相等身份参与的最大世界科技合作项目，并不断获得了新的打破。现在，中国的磁束缚核聚变研讨部分技能已到达世界抢先水平。
“完成核聚变焚烧正逐渐走向实际。”对HL-2M这个我国仅有一个具有展开堆芯级等离子体物理试验才能的技能渠道，这群“造太阳”的人充满信心，“未来HL-2M将持续有条有理展开后续试验工作，冲击更高的等离子体电流和离子温度等参数，全面提高核聚变三参数，完成我国‘人工太阳’研讨新的腾跃。”
“每一次经过中控厅的大屏幕看到等离子体的耀眼亮光，我就觉得它特别美，就像人类第一次看到自己点着了篝火——发光发亮，充满希望。”李波慨叹道，等待我国的一盏盏灯提前被核聚变能点亮。
