[记者魏凡曹思齐]利用核聚变获得像太阳一样源源不断的清洁能源，是人类长久以来的梦想。在利用可控核聚变“种太阳”方面，中国一直走在世界前列。2020年12月，由中核集团核工业西南物理研究院聚变科学研究所研制的新一代“人造太阳”——中国环流器2 M装置(HL-2M)首次放电。在承担这一高科技科学项目的76人中，有57人是35岁以下的年轻人。今年五四青年节，这支勇攀科技高峰的队伍获得了第26届“中国青年五四奖章集体”。近日，记者采访了中国“植日”团队，听他们讲述在外国技术封锁下，如何实现中国“聚变能源梦”的故事。
核心部件由中国自主设计制造。
中核集团核工业西南物理研究院聚变科学研究所副所长钟在接受记者专访时表示，“‘人造太阳’因其资源丰富、环境友好、内在安全，将成为未来人类的理想能源，也是最终解决人类社会能源和环境问题的有效途径，对我国经济社会发展和产业建设具有重要的战略意义。”
然而，与核裂变原理在核电站的成熟应用相比，人类想要“控制”热核聚变反应，却面临着诸多问题和挑战。
钟说，核聚变的条件非常苛刻，这个过程首先需要在极高的温度条件下进行。“原子核必须有足够高的动能，比如温度达到几亿度，才能克服原子核之间的库仑斥力，相互靠得足够近，这样短程核间引力才能发挥主要作用。”此外，还需要为高等离子体密度创造条件。“氘和氚原子核的密度足够高，可以提高由于原子核之间的碰撞而发生核聚变反应的概率。”但要实现可控核聚变，需要维持较长的能量约束时间。“只有长时间保持高温高密度的核反应条件，核聚变反应才能继续。”。
在钟看来，核聚变的原理虽然简单，但核聚变能源的发展是对人类科技极限的挑战，因为它要求等离子体的离子温度、密度和能量约束时间的“三重积”必须在人为控制下达到一定值。科学上把这种维持核聚变反应堆能量平衡的特殊条件称为“劳森判据”。“只有核聚变反应释放出足够的能量，才能维持核聚变反应堆的运行，并有可观的能量输出，聚变反应才能继续。”
根据中国核能发展“热堆-快堆-聚变堆”三步走战略，中国的目标是自主研发核聚变能源堆。其中，新一代“人造太阳”是我国发展核聚变能源的重要举措，标志着我国自主掌握了大型先进托卡马克装置的设计、建造和运行技术，将为我国下一步自主设计和建造聚变堆奠定坚实基础。
钟说，新一代“人造太阳”是中国目前规模最大、参数能力最高的磁约束核聚变实验研究装置。它采用先进的结构和控制方式，等离子体体积是国内现有装置的两倍以上，等离子体电流容量提高到2.5 mA以上，等离子体离子温度可达1.5亿度，可实现高密度、高比压、高自举电流运行。同时，该装置也是世界上第一个具有百万安培等离子体电流下实现各种先进偏滤器位形能力的先进核聚变研究平台。“该装置的核心部件由中国自主设计和制造。它是实现我国核聚变能源发展跨越式发展的重要支撑装置， 也是中国消化吸收国际热核聚变实验堆(ITER)技术不可或缺的平台，是世界上最大的国际合作项目之一。
突破技术封锁提升中国制造。
据记者了解，新一代“人造太阳”由真空室、线圈系统、发电机组、支撑结构等核心部件组成。在中国这个“人造太阳”的背后，是一系列打破国外技术封锁、填补国内空白的励志故事。
以真空室为例，该装置为“人造太阳”放电实验提供了超真空环境，用来容纳上亿度的高温等离子体，比空间环境的真空度低几个数量级。在设计研发初期，“种太阳”团队走访了10多家大型制造企业，均被告知该设备设计精度高、制造难度大、薄壁件焊接变形控制难、国内缺乏相关经验，无法加工。团队将科学的设计参数细化为可实现的工程图纸，以联合研发、手把手教学的方式指导厂家加工。经过六年的艰苦探索， 团队制造了国内首个D形截面特殊材料双层双曲率薄壁件全焊接环形超高真空容器，相关工艺和技术指标达到国际领先水平。
线圈系统为“人造太阳”装置的放电实验提供了约为地球磁场5万倍的强磁场，用于精确稳定地控制上亿度的高温等离子体。根据原设计方案，线圈制造原采用“利用旧，改造”的方案。随着建设的深入和国际核聚变研究的快速发展，R&D团队发现，如果采用“新发展”，可以保证设计参数达到国际先进水平，甚至部分可以领先，但发展风险极大，创新可能失败。面对进退两难的局面，团队选择了更具挑战性的“新发展” 基于大量的科学计算和分析。他们首创了国内运行电流最大、磁场最强的D型位板可拆卸环向磁场线圈，突破了国内大截面异型、内圆异型无氧铜管的原有产能极限，创造性地掌握了国内大尺寸异型高强铬锆铜材料制造技术，多项工艺领先于国外一流设备。
发电机组是为“人造太阳”提供运行动力的巨型“充电宝”，单次释放能量可达1300兆焦耳，功率相当于秦山一期核电站。研究团队攻克了大型立式六相脉冲发电机的超高功率转差率调节、电制动等技术，研制出我国第一台具有完全自主知识产权的大型立式脉冲发电机，可负担百万人口城市的基本用电，部分指标也领先国际水平。
钟说，为保证装置性能满足堆芯等离子体参数条件下的物理实验研究需要，“人造太阳”的工程技术难度和工艺复杂度大大增加，不断挑战国内相关工程技术的极限。“美国曾以核心技术为由，禁止销售建造‘人造太阳’所需的高强度膨胀螺栓。面对这个必须解决的‘卡脖子’问题，我们从浩如烟海的文献中找到了突破口。经过上百种材料对比和上千次试验，我们终于攻克了关键技术，打破了国外封锁，生产出了一种没有国内生产先例的大尺寸高强度膨胀螺栓，降低了近90%的生产成本，大大节约了科研经费。”
也正是通过这种高强度的技术攻关，“人造太阳”R&D团队掌握了多项核心技术。通过与大型国有企业合作攻关，极大地提高了企业复杂产品的R&D能力和装备制造水平，在推动技术创新的同时，也促进了产业技术升级。
深化国际合作，贡献中国力量
2006年，中国、欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国和印度共同签署了国际热核聚变实验堆(ITER)项目启动协议，这是世界上规模最大、最具影响力的国际科学项目之一，也是中国平等参与的最大的国际科技合作项目。
据钟介绍，这个项目也是“人造太阳”的团队与包括日、俄、欧盟在内的世界上30多个主要核聚变研究机构和国际组织的最大合作项目。“中国以‘平等伙伴’的身份加入ITER计划，约占其贡献的9%，其中超过70%是以实物贡献的形式，即研究和制造ITER的设备部件。中方按时、高标准、高质量交付相关任务，采购包完成质量和进度位居ITER七方前列，有力推动了项目实施，得到了参与各方的充分肯定。”
钟认为，中国参与这一国际科学项目，无疑增强了中国领导国际科学项目的能力。通过深化国际合作与交流，中国还在借鉴国际受控核聚变实验装置的设计、建造和运行的成功经验，以弥补其不足。“参与ITER计划是中国磁约束核聚变能源研发计划的关键一步。基于中国磁约束核聚变的研究现状，在中国建设未来聚变堆仍面临一些关键的科学和技术挑战。下一步，中国核聚变的发展应充分利用ITER的建设和运营，注重人才培养和技术储备， 并加快发展ITER未覆盖的未来聚变堆关键技术，有效解决聚变堆自主设计建设面临的短板和瓶颈问题，形成良性高效的核聚变产业发展格局。"
钟还表示，在参与的十年间，中国的聚变研究也从技术“跟随”和“并驾齐驱”达到了局部“领先”。作为消化吸收ITER技术的重要平台，新一代“人造太阳”十年来也培养和造就了一批具有参与大型科学工程能力的高层次科技人才。“党中央加快建设世界一流的人才中心和创新场所，完善人才发展的体制机制，加大对青年的科学研究。这些措施对十年来我国科技创新发展的巨大变革起到了重要的推动作用。”
