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跨越,世界聚变舞台上的中国力量
时间: 2017-11-14 13:40
 
一提起核聚变,自然会想到中核集团西南物理研究院。而在西物院,就不得不提“磁约束核聚变工程与实验研究”创新团队。
 
这个400多人的团队,以中国环流器二号A(HL—2A)装置的运行及其改造升级为平台,以承担国际热核聚变实验堆(ITER)计划为牵引。他们大胆创新,取得了多项国际领先的科研成果;他们精益求精,将聚变理论、实验研究、工程技术研究推向极致;他们从零起步,为ITER计划工程注入中国智慧。
 
科研所走过的每一步注定艰辛。核聚变能被人们形象地称为“人造太阳”,他们是一群“逐日”的科学家。
 
突破,与极限竞技
 
“中国环流器二号A”装置 核工业西南物理研究所官网 图
 
一走进西物院聚变所实验大厅,便能看到一个呈橘红色、椭圆形、放射状的庞大实验装置,这就是中国的“人造太阳”装置——“中国环流器二号A”,是我国第一个具有偏滤器位形的大型托卡马克装置。该装置被大型支架所支撑,外部缠绕着线圈。装置中央是一个类似“甜甜圈”的环形真空室,在“甜甜圈”内部,科学家计划用磁场把一团高温(上亿度)高压的等离子体“火球”悬浮起来,跟周边的任何材料不接触,这时就可以对等离子体加热、控制,以实现受控聚变反应而释放能量。这与太阳发光发热的原理相似,因此人们将这类装置称为“人造太阳”
 
“完美计划”的背后,是对每一项技术逼近极限的挑战。
 
要实现聚变反应,在地球上最容易的方式就是要把含氢的同位素氘氚的等离子体瞬间加热到1亿摄氏度。团队带头人段旭如告诉记者:“用传统的欧姆加热,加热到两三千万度的时候,电阻率接近于零,电流再大也不能继续加热装置中的等离子体。”
 
在极端物理条件下,很难利用一种简单的方法就达到目的。这群科学家们又想出了新方法——将外部的能量通过合适的技术注入,以进一步加热等离子体,达到聚变反应所需要的温度。“到目前为止,我们在HL-2A装置上面已经发展了10多兆瓦的加热系统,包括5兆瓦的电子回旋加热系统,4兆瓦中性束系统和2兆瓦低杂波电流驱动系统。同时,这几套系统基本全部实现了自主化研制。”提起成果,团队主要成员饶军激动不已。
 
成功背后,是数十年如一日的极限攻关。团队成员黄梅回忆:院里的电子回旋加热系统,是国际上最大功率的电子回旋加热系统之一。为了给装置配上加热系统,他们窝在狭窄的空间里,那时正值冬天,身上冻得不行,手指却要保持灵活,因为安装不能有一丝一毫的偏差。同样,低杂波加热管必须在规定的时间完成调试,连续1个月,他们坚守在调试现场,不眠不休……如今,HL—2A装置等离子体电子温度已达到5500万度,这是迄今国内装置达到的最高温度。
 
提高温度之后,又是新的挑战。
 
“装置运行的时候,所需功率达到30万千瓦,这相当于一个小城市一天的耗电量。装置内的等离子体存在各种不稳定性,如果失控将对设备产生严重损害。”团队成员李波如是说。什么是等离子体不稳定呢?就拿其中的垂直位移不稳定性来说吧,一旦等离子体偏离其平衡,其偏离将越来越快,发展速度在微秒量级,是完全不可控的。通过加装被动致稳结构,可将其发展速度降低到毫秒量级,对其实施有效控制,使其回到平衡。这好比杂技演员在高空走钢丝,如果没有平衡杆,一旦偏离平衡,很可能造成失控而坠落。其手中长长的平衡杆能大大降低偏离平衡的发展速度,使杂技演员从容地控制其平衡。
 
正是这群人一次又一次挑战极限,使HL—2A装置上实现了多个突破:首次获得了偏滤器位形等离子体的高约束模式,使中国成为继美欧日之后获得高约束模式运行的国家;在湍流和带状流、约束和输运、高能粒子物理等方面取得了国际先进的等离子体物理实验研究成果,为聚变堆等离子体控制技术的发展提供了物理基础……
 
创新,打开神秘的黑匣子
 
“在HL—2A装置建成之初,来访的国际知名专家不多。如今,我们在HL—2A装置上取得了多项国际上首创的研究成果,大批国际核聚变知名专家主动来到西物院开展合作研究,并有4名国际聚变领军人物入选中组部 千人计划 并加入西物院聚变团队。”段旭如告诉记者。
 
创建我国先进的磁约束核聚变研究平台,背后的支撑是团队将创新作为生命线。
 
“此前用在诊断上的一些关键部件都是从国外买的。不仅成本高,而且你不了解它的性能,实验也会受影响。” 等离子体诊断专家余德良指着一台设备,继续说,“科研的本质是创新,如果你只是买过来,作为一个黑匣子放在那里,不仅告诉别人不敢动,自己也不敢动,这不是一个科研人员该有的状态。”
 
面对黑匣子,敢为天下先。经过讨论研究,余德良和团队成员将关键部件进行分解,与国内生产商沟通,一步一步“重塑”了对整套系统的理解。理解之后,又是一系列研发改进,他们瞄准的是设计出更适合自己装置的诊断系统。如今,他们已经在HL—2A装置上发展了时空分辨达到国际先进水平的软X诊断系统和完备的二维层析成像反演技术,这些方法现已被国外多个装置采用。同时,他们还与国际同步发展了微波成像系统技术研究。整套系统的建立完成立足于国内自己的科研力量,实现了系统的国产化,走在了世界前列。
 
谈及背后付出的艰辛,余德良反而笑了:“尽管加班很多,但是对科研人员来说,没有什么比拿出自己原创性的东西更有成就感的了。不得不说,院里现在的氛围很好。”
 
随着团队自主创新能力的进一步增强,类似这样打开黑匣子的故事不胜枚举。大功率微波窗口是低混杂波系统的关键器件,国际上低杂波微波窗口不仅价格昂贵,加工时间长,而且不易维护。团队立足于国内,突破技术和材料上的瓶颈,已经研制出基于蓝宝石的大功率微波窗口,在国际上尚属首次。此外,团队跟踪和消化了ITER装置先进的中性束加热技术,自主设计了国内注入功率最高的单条中性束加热束线,为开展前沿聚变等离子体物理实验提供了硬件保障。
 
“身为聚变人,在创新这条道路上,我们不会停止。从跟随、并跑到领跑,我们要做的事情还有很多。”段旭如很坚定地说。
 
跨越,世界聚变舞台上的中国力量
 
2016年底,一则西物院自主研发制造的ITER核心部件——超热负荷第一壁原型件在国际上率先通过权威机构认证的消息让无数圈内人振奋。据了解,这是ITER交给中方团队的一份高难度作业——第一壁是ITER装置的核心部件,位于环形真空室内部,在运行时直接面对上亿摄氏度的等离子体。ITER的设计方案要求,第一壁要承受每平方米4.7兆瓦的热量,这几乎可以瞬间将1千克的钢铁融化。
 
经过十余年的研发,“磁约束核聚变工程与实验研究”创新团队用这份高水平的成绩单,显示了中国力量。
 
2006年,中国作为七方之一参与ITER计划,而西物院是中国加入ITER的重要技术支撑单位。其中,“磁约束核聚变工程与实验研究”创新团队承接了中方ITER采购包绝大部分涉核部件的研发与加工制造任务。
 
参与国际角逐必定是一条极具挑战的道路。第一壁的主要负责人谌继明回忆:“最初我们项目组参加ITER技术讨论会的时候,反对往往无效。”为了让中国的声音出现在国际舞台上,谌继明和团队有了“拼”的动力。
 
近两年来,谌继明几乎白天晚上都在加班加点的工作。他笑着告诉记者:“晚上睡觉一躺下去,脑子里全是ITER,醒来时觉得刚才想得很清楚,怎么又糊涂了。”一开始,产品的成品率上不去。谌继明就带领团队将制约因素列出,一条一条慢慢分析。“刚开始每次都失望,但是谁都没放弃,我们就坐在一起讨论,过两天又有了新想法,又开始新一轮试验。”失败、等待、执着、兴奋交织在一起,最终走出了一条成功的路。“现在ITER的很多会议,都会主动邀请我们去,他们希望听到我们的声音。还有些国家主动联系我,希望到我们的实验室参观。”说到这里,谌继明显得格外兴奋。
 
除了第一壁部件率先通过ITER组织的认证,创新团队负责的中子屏蔽包层模块全尺寸原型件也率先通过了验证。此外,在特殊材料研制、材料连接技术、关键部件制造技术和试验检测技术等方面,创新团队也取得了多项突破,为ITER装置的建造提供了重要技术支撑。
 
ITER组织两任总干事对中方的评价都是“中国在采购包的研发、生产方面领先于各方”。
 
“通过ITER计划国际合作,提高了我国在核聚变领域的技术研发能力和大科学工程管理水平,同时培养了人才,为今后建设中国核聚变工程实验堆CFETR发挥了积极作用。”说到自己带领的团队,段旭如自信满满。沿着这份初心,创新团队一直在坚定地前行。

  
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