问鼎人类终极能源 中国人在奔跑——中国环流器二号M 装置建成

特约记者 盛安陵/文

中国环流器二号M 装置管林安装

2020 年初冬的一个下午，在成都西南角的中核集团核工业西南物理研究院，中国环流器指挥控制中心突然沸腾了。大家相互击掌祝贺,有的人眼里还噙满了泪花。

此时，位于大厅中央的巨型屏幕上，一道电光闪过，稍作间歇又是一道，频繁闪烁……由该院自主设计建造的新一代先进磁约束核聚变实验研究装置中国环流器二号M 装置（HL-2M）成功放电。

“这标志着HL-2M 已经建成。为了这一刻，大家拼搏了许多个日日夜夜。”中核集团核西物院中国环流器二号M 项目负责人刘永说，“作为我国新建的的先进托卡马克装置，HL-2M 等离子体离子温度可达到1.5 亿摄氏度，可实现高密度、高比压、高自举电流运行，将大力提升我国堆芯级等离子体物理研究及相关关键技术研发先进水平，为我国深度参与ITER 计划及自主设计建造聚变堆提供重要技术支撑。”

ITER“卫星”

万物生长靠太阳。支撑人类社会发展的一切能量来自太阳，而太阳的能量则来自核聚变。

其实，核聚变并不神秘，只要将氢的同位素氘和氚的原子核无限接近，使其发生聚变反应，就能释放出巨大能量。

工程师在真空室内进行关键部件质量检测

然而，原理看似简单，但要让聚变反应持续可控，可以说难于上青天。

据刘永介绍，要实现可控核聚变反应，必须满足三个苛刻条件：一是温度要足够高，使燃料变成超过1 亿摄氏度的等离子体；二是密度要足够高，这样两原子核发生碰撞的概率就大；三是等离子体在有限的空间里被约束足够长时间。

这就是聚变界通常所说的“三乘积”中的要素——离子温度、密度和能量约束时间。别小觑这三要素，自上世纪50 年代至今，国际聚变界的科学家们可谓前赴后继、攻坚克难、煞费苦心、孜孜不倦，但仍然面临巨大的挑战。为此，ITER 计划被推出，集全世界力量以攻克难关；中国成为七方重要成员之一。

其实，中国可控核聚变研究与世界几乎同步。自1955 年钱三强、李正武等老一辈科学家提议开展“可控热核反应”以来，取得了一系列重要科研成果。特别是1965 年核西物院成立后，先后发展了脉冲磁镜、角向箍缩装置、仿星器、超导磁镜、反场箍缩装置和托卡马克等多种类型的磁约束聚变研究装置。其中，最为典型的是1984 年在四川乐山建成的中国环流器一号（HL-1）。这是我国核聚变研究史上的一个重要里程碑，标志着我国可控核聚变研究从原理探索进入规模化实验研究新阶段。从此，中国核聚变研究由小到大、由弱到强，进入高质量发展的新阶段。2002年，由核西物院建造的中国环流器二号A（HL-2A）成为这一时期的代表。这也是我国第一个具有偏滤器位形的托卡马克装置。

刘永说：“HL-2M 装置是HL-2A 的改造升级装置，是实现我国核聚变能开发事业跨越式发展的重要依托装置，同时也是我国消化吸收ITER 技术不可或缺的平台。”

据他介绍，自2006 年国际启动ITER 计划后，各国均是一方面积极参与ITER 计划，另一方面也在推动本国核聚变研究。有的是改进以前的科学装置，有的是建设新的科学装置，目的是在ITER 建成前的这一段时间里，依托各自国内装置和平台全面掌握ITER 的技术和能力。

“对于中国人来说，若要在ITER 上发挥更多作用，像HL-2M 这样高参数运行的装置不可或缺，一方面支撑ITER，为ITER 开展预先研究、并探索相关物理与工程问题，另一方面就是作为我国可控核聚变人才培养的重要平台。这是承上启下的重要一步，不可逾越。”刘永补充道，“通常像HL-2M 这样的高参数运行装置，可被称为ITER‘卫星’。而全世界正在运行的称得上ITER‘卫星’的科学装置不多。HL-2M 名副其实。”

中国聚变不能只等ITER

1984 年，核西物院建成了我国首座受控核聚变托卡马克大科学装置——中国环流器一号（HL-1），之后陆续建造中国环流器新一号(HL-1M)、中国环流器二号A(HL-2A)，HL-2M 是核西物院建造的第四座托卡马克实验装置。在先进性方面，HL-2M 与前三个装置相比有着跨越式的提升。

据刘永介绍，HL-2M 在装置物理与结构设计、特殊材料研制与连接技术研发、关键部件制造与总装集成等方面取得了多项突破。

的确，为了确保装置的性能能够满足在堆芯级等离子体参数条件下开展物理实验研究的要求，HL-2M 与HL-2A 相比，装置主机性能参数需大幅提升，为此，采用了更先进的结构与控制方式，造成工程技术难度及工艺复杂性大幅增加。

那么，核西物院为什么会选择迈出跨越式发展这一步呢？

ITER 计划实施后，中国核聚变如何发展成为了摆在刘永等中国核聚变人面前无法回避的问题。当时，HL-2A 已经难以满足核聚变研究的要求，他们亟需性能更高、参数指标与国际先进水平媲美的平台做支撑。

“当然，参数越接近ITER 越有利于中国在全球核聚变领域发挥作用。但是，这是对国家综合实力，特别是工业制造能力一项严峻的考验。”刘永回忆道。

工程师在做磁测量线圈定位检测

在前ITER 时代，参数很低的装置显然没有必要建造；但是对于建造参数高的装置，中国技术积累够不够，是否具备建造能力，人才是否有支撑，经费是否能保障，成为一长串问题。决策保守，没有创新性，价值有限，难以前进；决策冒进，我国工业基础难以支撑，风险太大。如何平衡和把握先进性和可靠性之间的关系，成为了大家反复讨论的焦点。但专家们最终的意见是：跳一跳，够得着。

刘永再次强调说，中国聚变研究不能只等ITER。中国全方位参与ITER，但也必须要有自己的研究计划，为此必须要有HL-2M 这样能与国际一流比肩的装置和平台做支撑。

让刘永等人庆幸的是，此项认知得到了政府主管部门、我国聚变研究领域的广泛支持。

HL-2M 于2010 正式批复立项。

当然，在ITER 计划执行中，中国始终恪守国际承诺，相关企业和科研人员勇挑重担，与国际同行齐心协力，为计划的顺利推进贡献了中国智慧和中国力量。今年7 月28 日，在ITER 计划重大工程安装正式启动仪式上，国家主席习近平致贺信，并表示中国愿继续同各方加强科研交流合作，合力突破重大关键科学和技术，推进全球科技创新，为增进各国人民福祉、实现全球可持续发展不断作出新贡献。

为人类核聚变事业贡献中国力量

十年弹指一挥间。在这闪烁的电光之间，十年里的画面一幕幕浮现在大家眼前。

为了成功制造HL-2M 关键核心部件真空室，建造人员冉红数次腰疾复发，她都强忍着坚守制造现场，解决一系列技术问题和难点，连续克服了数个技术瓶颈；同为建造人员的宋斌斌，累计驻厂近5 年，连续3 年放弃国庆假期和高温假，坚守制造现场，即使车间高达40℃以上，挥汗如雨的他也未曾离开；为了中心柱安装万无一失，线圈组负责人刘晓龙带领团队成员反复讨论，一个月内做了十几个方案，反复验证，甚至整个团队放弃了2018 年整个春节，在现场苦战整整3 个月；装置工程联调是装置放电前的关键环节，需要上百个系统同时调试并达到运行条件。联调协调人季小全一边组织团队讨论调试方案和计划、一边组织专家讨论解决技术难点，晚上还要协调各外协厂家加班加点赶进度，经常晚上最后一个走……

为了实现“跳一跳、够得着”，HL-2M 中的不少材料和工艺都是前人没有做过的。可以说，从装置的前期调研、设计到建造、安装，核西物院HL-2M工程项目的科研人员、设计师、工程师和管理团队300 多人都不断在向极限挑战。

刘永说：“的确，现实情况比起初预想要困难得多，但是我坚信我们能够成功，因为我们具备这个能力和水平。”

精诚所至，金石为开。在建设HL-2M 装置过程中，核西物院联合国内多家研制单位，在装置物理与结构设计、特殊材料研制、材料连接与关键部件研发、总装集成等方面取得了多项突破，实现了可拆卸线圈结构，增强了控制运行水平，提升了装置物理实验研究能力；攻克了高镍合金双曲面薄壁件大型真空容器模压成型和焊接变形控制等关键技术；掌握了具有国际先进水平的异形铜合金厚板材制造成型工艺，实现了高强度膨胀螺栓组件的自主国产化；研制成功国际先进水平的国内首台大型立轴脉冲发电机组。

刘永说，HL-2M 装置的建成，为开展堆芯级等离子体物理实验提供了硬件平台，将有助于提升我国核聚变能源领域的自主创新能力，为我国未来核聚变堆的自主设计与建造打下坚实基础。

但他冷静地说道，ITER 计划是实现聚变能应用的关键一步，要实现聚变能的商用，还有很长的路要走，需要几代核聚变人接力奔跑。核西物院将依托HL-2M 这一先进平台，培养并储备一批核聚变领域年轻的技术研发人才与团队，为人类核聚变事业贡献中国智慧和中国力量。