【科学的温度】中国如何打造全球最大“人造太阳”的硬核“防火墙”？

发布者：云淡风轻 2023-3-1 18:21

中核集团核工业西南物理研究院首席专家、ITER增强热负荷第一壁项目负责人谌继明。中核集团核工业西南物理研究院供图

中新网成都2月24日电 (王利文)太阳通过核聚变反应释放光和热，科学家们希望利用该原理，为人类开发一种源源不断的清洁能源。因此，在地球上以探索清洁能源为目的的可控核聚变装置又被形象地称为“人造太阳”。核聚变燃料可来源于海水，取之不尽用之不竭，足够人类使用上百亿年。核聚变能源也被誉为人类未来的理想清洁能源。

2022年11月，全球最大“人造太阳”核心部件“防火墙”在中国取得重大进展，国际热核聚变实验堆(ITER)计划增强热负荷第一壁完成首件制造，标志着中国实现该项核心科技领跑，有力提升了我国在该领域的话语权。中核集团核工业西南物理研究院首席专家、国际热核聚变实验堆ITER第一壁关键部件研制项目中方负责人谌继明接受了中新网采访，讲述中国如何打造全球最大“人造太阳”的硬核“防火墙”。

如何实现“人造太阳”？

国际热核聚变实验堆(ITER)增强热负荷第一壁完成首件制造。中核集团核工业西南物理研究院供图

谌继明介绍，“人造太阳”的研究可以追溯到20世纪50年代前，科学家发现核聚变最基本原理后，各国逐渐开展了相关研究。由于研究难度巨大，20世纪80年代，多方联合提出建立全球最大的“人造太阳”装置，ITER计划全球联合建设拉开帷幕。

目前，共有30多个国家参与ITER项目的设计、研发、建设及后期的装置的运行，形成共有的技术和知识产权，为下一代“示范堆”奠定基础。谌继明表示，中国承担了ITER项目的18个制造任务，其中包括真空室内部件第一壁、磁体支撑系统等核心部分。

核聚变研究难度大的原因在于其反应条件严苛。“氘氚聚变是最常见且最易实现的核聚变方式，但只有在1亿摄氏度以上的极高温条件下，氘、氚等轻原子核才能够碰撞聚合，释放出巨大的能量。”谌继明解释，当温度、密度和维持时间都达标才能实现核聚变点火，同时还需要实现高温下的控制才能有效输出核聚变能量。“因此，ITER装置由主机和用于发电的外围两大系统组成，其中主机系统更为复杂。”

怎样打造“人造太阳”的“防火墙”？

国际专家来到中核集团核工业西南物理研究院交流。中核集团核工业西南物理研究院供图

由于“人造太阳”所发生的核反应需要上亿摄氏度高温下进行，这就需要一个洁净的高真空环境，即大型环形真空室。经研究，科学家们采用“甜甜圈”状的托卡马克可控热核聚变装置，通过将高温高压的等离子体约束并悬浮在环形空间内部，以达到核聚变反应的环境并实现控制。

而在此装置中，直接面对极强热辐射的第一壁便是最重要的核心技术之一。谌继明介绍，第一壁发挥了巨大的作用，它要限制等离子体越界的同时保护外围设备不被高温损伤，还要把核聚变反应释放的能量带出来，用于外围储能发电。

ITER第一壁内侧增强热负荷部件是中国承担设计、研发、制造的关键部件之一。整个660平方米的真空室第一壁表面由440个部件组成，其中中国承担的部分占比12%，是制造难度最大的部件之一，其接受的表面热辐射达到每平方米4.7兆瓦，相当于太阳照射地球表面热量的4700倍。凭借50多年可控核聚变研究经验，核工业西南物理研究院成为该“防火墙”的“承建商”。为保证质量且按时提交部件，中国经过近20年的发展和赶超，解决了材料加工、制造、连接等方面的多项技术难题，实现ITER关键部件研发的实质性工程突破。

何以在未来继续领跑？

中核集团核工业西南物理研究院ITER增强热负荷第一壁项目团队正在攻坚克难。中核集团核工业西南物理研究院供图

随着原型件所有手指的制造和最终的装配推进，2022年11月，ITER增强热负荷第一壁完成了首件制造，初步检测表明该部件的核心指标优于设计要求，具备了批量制造的条件。谌继明指出，这也标志着中国全面突破了“ITER增强热负荷第一壁”的关键技术，实现该项核心科技的全球领跑，为下一阶段的批量生产，按期按质按量向ITER国际组交付产品，保障ITER装置的顺利运行提供了条件。

要保证核聚变进行的洁净环境，就需要真空室内所有部件不能有冷却剂泄漏。“如果等离子体和核聚变被污染，反应便不可持续。”谌继明介绍，因此，2018年，团队成功开发了一项模拟聚变实际运行工况的氦检漏技术，在250摄氏度高温和4个兆帕，即40个大气压的高压情况下进行检测。在科技部的支持下，团队成功研制了全球首项能够检测部件且检测结果达到ITER要求的技术，并向ISO国际组织提出申请，成功立项一项聚变堆承压部件高温高压热氦检漏方法的国际标准。

“这是全球核聚变领域的中国智慧，意义重大。”谌继明表示，这一由中方牵头推荐的国际标准将成为全球核聚变领域的首个国际标准，为核聚变工程领域做出贡献。“希望我们按期甚至提前交付部件，及早地履行我们的国际的承诺，共同助力‘人造太阳’早日从理想变为现实。”谌继明说。(完)