形似“橘子瓣”、重達(dá)數(shù)百噸的巨大構(gòu)件，被精確吊裝進(jìn)入地下深坑。這片扇形結(jié)構(gòu)是國際熱核聚變實驗堆（ITER）真空室的重要組成部分，也是人類向無限能源發(fā)起沖擊的關(guān)鍵一環(huán)。作為全球規(guī)模最大的國際科研合作項目之一，ITER旨在模擬太陽發(fā)光發(fā)熱的核聚變過程，探索可控核聚變技術(shù)商業(yè)化可行性。日前，經(jīng)過嚴(yán)格的安全檢查，記者走進(jìn)了這座坐落于法國南部的科研基地，實地探訪“人造太陽”項目建設(shè)進(jìn)展。

自提出構(gòu)想以來已經(jīng)歷時四十載

30多個國家上千名人員參與建設(shè)

從法國南部港口城市馬賽出發(fā)，驅(qū)車約一小時，記者來到丘陵環(huán)抱中的圣保羅—萊迪朗斯小鎮(zhèn)。ITER總部就坐落在一處地勢較高的丘陵之上，主樓正面外觀呈黑色，輔以白色硬朗線條，充滿科技感。建筑一側(cè)懸掛著一面巨大的英文標(biāo)識牌，寫著“安全組裝ITER，為了聚變能源的未來”。ITER是迄今為止全球規(guī)模最大的核聚變實驗裝置，總占地面積達(dá)180公頃，除主反應(yīng)堆外，還配有規(guī)模龐大的供電、冷卻等配套設(shè)施。來自30多個國家的上千名科學(xué)家、工程師和技術(shù)人員在此工作。

自1985年提出構(gòu)想以來，經(jīng)過多年磋商與技術(shù)論證，2006年11月21日，中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國共同簽署《聯(lián)合實施國際熱核聚變實驗堆計劃建立國際聚變能組織的協(xié)定》，決定在法國建設(shè)實驗堆。各方采取“實物出資”模式，即不直接現(xiàn)金出資，而是由各成員自行制造所承擔(dān)的設(shè)備部件，運(yùn)送至現(xiàn)場統(tǒng)一集成組裝。

在進(jìn)入反應(yīng)堆核心區(qū)域之前，記者在工作人員的指引下，依次完成了嚴(yán)格的防護(hù)準(zhǔn)備：佩戴安全帽、防護(hù)眼鏡和防塵鞋套，隨后乘坐專用通勤車駛向園區(qū)深處。下車后，還需在專設(shè)區(qū)域清洗鞋底灰塵，穿戴手套與鞋套，并穿過兩道厚重的隔塵門簾。一系列檢查后，記者終于踏上了ITER反應(yīng)堆核心建筑的平臺，這是參觀者能夠到達(dá)的距離真空室最近的位置。真空室是項目工程最關(guān)鍵的核心部件之一。

在核心建筑平臺透過玻璃望去，施工現(xiàn)場秩序井然，龐大的建筑空間令人感到自身的渺小。整個安裝空間高度達(dá)數(shù)十米，一座幾層樓高的巨大螺管矗立中央，一片“橘子瓣”狀的真空室扇段通過特殊裝置連接到中央螺管上。周邊許多設(shè)備被嚴(yán)密遮蓋，等待安裝。技術(shù)工人正在進(jìn)行高精度定位、吊裝與焊接作業(yè)，施工區(qū)域內(nèi)嚴(yán)格執(zhí)行溫控與防塵要求。

ITER項目建設(shè)面臨的一大挑戰(zhàn)，是來自世界各地專業(yè)研究機(jī)構(gòu)提供的大型部件運(yùn)輸至項目現(xiàn)場的物流問題。例如，ITER裝置的18個D形環(huán)向場線圈，每個重達(dá)310噸，包括運(yùn)輸車在內(nèi)的最重組件可達(dá)900噸，部分難以運(yùn)輸?shù)某笮驮O(shè)備需在項目現(xiàn)場進(jìn)行制造和組裝。

ITER組織副總干事羅德隆向記者介紹，核聚變相比核裂變優(yōu)勢明顯，幾乎無放射性污染，沒有溫室氣體排放，燃料來源廣泛且能效極高。一升海水中提取出的氘，經(jīng)過聚變反應(yīng)后釋放出的能量相當(dāng)于燃燒300升汽油?！叭绻軌?qū)崿F(xiàn)聚變能的大規(guī)模受控應(yīng)用，人類的能源問題將從根本上得到解決?！?/p>

“磁場包住火”模擬太陽核聚變環(huán)境

中國團(tuán)隊承擔(dān)18個關(guān)鍵設(shè)備包

ITER采用的核聚變技術(shù)路線叫作“托卡馬克”，由蘇聯(lián)科學(xué)家在20世紀(jì)50年代提出，是目前國際上最主流且可行性較大的核聚變技術(shù)路線。托卡馬克裝置內(nèi)布滿巨大的磁線圈，通過強(qiáng)磁場形成環(huán)形的“磁籠”，將超高溫等離子體牢牢懸浮在真空室中央，使其與容器壁完全隔離，從而實現(xiàn)安全穩(wěn)定的聚變反應(yīng)。這種用“磁場包住火”的方式，使得人類能在地球上復(fù)制出類似太陽內(nèi)部的核聚變環(huán)境，因此該裝置也被形象地稱為“人造太陽”。

預(yù)組裝大廳里，高高的吊架上懸著一個超大豌豆形金屬設(shè)備，吊斗里的技術(shù)人員正對其進(jìn)行檢查，這是托卡馬克主機(jī)真空室的模塊之一。聚變反應(yīng)的條件極為苛刻，反應(yīng)溫度至少需要達(dá)到1.5億攝氏度，相比之下，太陽中心的溫度也“僅有”約1500萬攝氏度。要想裝住如此高溫的等離子體，只能使用特殊設(shè)計的“保溫殼”隔絕熱量?？茖W(xué)家們采用類似于保溫杯的結(jié)構(gòu)，使用雙層耐輻照不銹鋼在中間抽取真空形成真空室，并在外層加裝冷屏制造出高效隔熱的結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)可以一邊確保真空室內(nèi)部上億攝氏度的高溫等離子體能量不向外擴(kuò)散，一邊幫助真空室外部的磁體線圈保持零下269攝氏度的低溫以觸發(fā)超導(dǎo)效應(yīng)，可謂“冰火兩重天”。

羅德隆介紹，ITER整個真空室預(yù)計由9個扇段拼接組成，總部件重量達(dá)8000噸，超過法國埃菲爾鐵塔的重量。由于整體規(guī)模巨大，真空室必須分為若干扇段單獨(dú)制造與組裝，最終拼接成一個完整的結(jié)構(gòu)。安裝精度需控制在毫米級，每一瓣之間必須嚴(yán)絲合縫。每片“橘子瓣”內(nèi)部結(jié)構(gòu)同樣極為復(fù)雜，其中使用了大量超導(dǎo)線圈，每根直徑不到1毫米的超導(dǎo)線內(nèi)又包含了8000至10000根細(xì)絲，每一根都經(jīng)過特殊涂層處理。

據(jù)介紹，中國團(tuán)隊承擔(dān)了ITER項目中18個關(guān)鍵設(shè)備包，包括超導(dǎo)磁體饋線、縱向場線圈、極線場線圈、校正場線圈、脈沖功率系統(tǒng)和磁體電源轉(zhuǎn)換設(shè)備等核心部件。截至目前，中國的產(chǎn)學(xué)研機(jī)構(gòu)與ITER組織簽訂了85份設(shè)計和制造合同。由中核牽頭組建的中法企業(yè)聯(lián)合體，還承擔(dān)了反應(yīng)堆核心機(jī)器的組裝起吊、精密定位、連接和檢查任務(wù)。中方設(shè)備交付及時，質(zhì)量過硬，極高的施工效率獲得ITER方面的高度評價。

反應(yīng)堆有望2034年點(diǎn)火運(yùn)行

材料技術(shù)是目前最大瓶頸

通過建造和運(yùn)行ITER裝置，可以驗證核聚變反應(yīng)在大規(guī)模、長時間、高參數(shù)條件下的可行性。同時，核聚變實驗堆的建設(shè)涉及眾多前沿科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。在材料科學(xué)方面，需要研發(fā)能夠承受高溫、高輻射、強(qiáng)磁場等極端條件的材料；在超導(dǎo)技術(shù)領(lǐng)域，ITER裝置使用了大量的超導(dǎo)磁體來產(chǎn)生強(qiáng)磁場，這將推動超導(dǎo)材料的制備和應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。此外，還涉及高精度的測量技術(shù)、先進(jìn)的控制系統(tǒng)、復(fù)雜的工程設(shè)計等多個領(lǐng)域。這些技術(shù)的協(xié)同發(fā)展將帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，促進(jìn)人類整體科學(xué)技術(shù)水平的提升。

“聚變永遠(yuǎn)還有50年”，這曾是人們對于攻克可控核聚變技術(shù)挑戰(zhàn)的半開玩笑式的描述。根據(jù)ITER最初的設(shè)想，該反應(yīng)堆計劃在2016年建成，但受限于工程本身的復(fù)雜性和多國協(xié)作模式的整合難度，項目工期一延再延。目前，僅有一片“橘子瓣”完成安裝，反應(yīng)堆距離完全建成仍需較長時間。ITER理事會正在對反應(yīng)堆建設(shè)進(jìn)度制定新的工程基準(zhǔn)。據(jù)ITER組織最新預(yù)計，反應(yīng)堆有望在2034年實現(xiàn)首次點(diǎn)火運(yùn)行。

為什么可控核聚變?nèi)绱似D難？ITER組織工程師符津科告訴記者，材料技術(shù)是目前最大瓶頸。迄今為止，人類尚未找到能直接承受上億攝氏度高溫的材料，即便是最耐高溫的鎢合金也只能承受三四千攝氏度。因此，必須借助磁場精確控制等離子體位置，確保其穩(wěn)定運(yùn)行。此外，燃料自給、材料輻照老化、熱能回收效率和經(jīng)濟(jì)可行性等問題仍待突破。

ITER組織戰(zhàn)略協(xié)調(diào)官蘇明星表示，像ITER這樣接近人類科學(xué)極限的工程，需要一代代科研人員秉持“愚公移山”的精神，持續(xù)探索、積累經(jīng)驗、攻克難關(guān)。當(dāng)被問及假如反應(yīng)堆建成卻最終實驗失敗怎么辦時，蘇明星笑著回答：“無論成功或失敗，我們都已成為書寫人類科學(xué)史的一員?！?/p>

（本報法國圣保羅—萊迪朗斯電）