从追赶到领跑中国核聚变的科技传奇

时间: 2025-03-04 23:58:52 |   作者: 大气常压等离子清洗机

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  2025年1月20日,安徽合肥,一场改写历史的科学突破在此诞生。全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST),这位科学界的“超级明星”,成功实现1亿摄氏度下长达1066秒的高约束模等离子体运行,一举创造新的世界纪录。这一成果,如同一颗璀璨的星辰,照亮了人类对未来能源的探索之路,也让中国在核聚变能源研究领域实现了从基础科学迈向工程实践的重大跨越,稳稳站在了世界之巅。

  在人类科技发展的宏伟蓝图中,可控核聚变技术无疑是最具潜力的篇章之一。前国际原子能委员会主席刘易斯·斯特劳斯曾满怀憧憬地说:“核聚变,将是打开人类新世界的钥匙。”当我们畅想未来,或许有一天,世界上所有“节约能源”的标语都将成为历史,电力变得取之不尽、用之不竭,城市的灯火永不熄灭,工业生产持续运转,这一切美好愿景的实现,不能离开可控核聚变技术的突破。

  核聚变反应,只需几克原材料,就能释放出万亿焦耳的能量,而且不产生污染性废物,堪称“完美能源”。想象一下,种下一颗芝麻,无需额外付出,就能收获60年的个人生活物资,这种“一本万利”的能源模式,怎能不让人心驰神往?正是基于此,可控核聚变技术成为了全球科研人员竞相追逐的目标。

  回顾中国可控核聚变技术的发展历史,那是一部充满艰辛与荣耀的奋斗史诗,从最初的艰难起步,到如今的世界领先,每一步都凝聚着中国几代科研人员数十年如一日的心血与智慧。

  上世纪50年代初,人类对可控核聚变技术的探索拉开序幕。在冷战的大背景下,以美国为首的西方阵营和以苏联为首的东方阵营,在核技术领域展开了激烈的竞争。核聚变,作为未来能源的终极梦想,自然成为了双方争夺的焦点。各国在核聚变研究上严守秘密,展开了一场悄无声息的“地下赛跑”。那时的中国,就像一个站在牌桌外的穷学徒,连“抄作业”的机会都没有,只能眼巴巴地看着国际同行们在核聚变的赛道上你追我赶。

  核聚变技术的核心难题,如同横亘在人类面前的一座巍峨高山:如何将加热至上亿摄氏度、处于等离子体状态的“燃料”容纳起来,并将其约束在一个高压状态下?这就好比要把一个小太阳装进一个铁盒子里,其难度超乎想象。面对如此艰巨的挑战,单靠一个国家的力量几乎难以攻克。于是,两大阵营逐渐意识到,只有携手合作,才能共同迈向这一人类的终极目标。从“各自为战”到“合作共赢”的转变,为中国提供了宝贵的学习机会。

  1958年,第二届和平利用原子能国际会议在日内瓦召开。苏联在会上宣布建成了磁镜装置“奥格拉”,并展示了四卷文集《等离子体物理与受控热核反应问题》。这一成果得到了大会的高度评价,也让核聚变研究的最新进展完全公开化。这些公开的资料,对于渴望追赶的中国来说,无疑是雪中送炭,成为了中国科学家们追赶的“教材”。

  同年5月,中科院物理研究所迎来了一个重要时刻。留美归来的孙湘牵头组建了第一室103组,正式开启了中国可控核聚变的研究工作。仅仅几个月后,103组就取得了重大突破——他们使用小型脉冲放电装置,成功制造出了高温等离子体。这一成果作为中科院国庆献礼的重点项目,被《人民日报》誉为“人造小太阳”。中国在核聚变领域的第一步,迈得坚实有力。

  然而,好景不长。1959年,三年困难时期悄然降临。饥荒和自然灾害席卷全国,国家经济面临巨大挑战。在这种情况下,继续向科研单位投入大额经费显得有些“奢侈”。核聚变研究的经费被大幅削减,科研骨干也被陆续调往优先级更高的两弹研制任务。原本充满希望的核聚变研究,逐渐陷入了停顿。到了1963年,中科院物理所的核聚变研究组正式撤销,第一波核聚变研究热潮就此落幕。

  当时的中国,虽然有心追赶核聚变技术,但无奈客观条件的限制,只能暂时停下脚步,等待时机。这个“上不了牌桌的穷学徒”,虽然暂时无法参与国际竞争,但已经在牌桌外悄悄做好了准备,等待着重新入场的机会。

  上世纪六十年代,国际局势风云变幻,冷战的阴影笼罩全球,核技术的竞争愈发激烈。毛主席高瞻远瞩,创造性地提出了“三线建设”战略,决定在中西部地区全力发展国防工业和基础工业。这一战略不仅是为了应对国际局势的不确定性,更是为了在极端困难的条件下,为中国科技发展开辟一条独立自主的道路。

  1965年,二机部做出了一个关键决策:整合全国核聚变科研力量,迁往四川乐山,筹建二机部585研究所,也就是后来大名鼎鼎的核工业西南物理研究院。这一举措,让中国可控核聚变研究有了一个坚实的“大本营”,也标志着中国正式组建了自己的“国家队”。

  然而,有了队伍只是第一步,接下来的问题是:往哪个方向努力?当时,核聚变研究领域就像一片茫茫大海,虽然目标明确——实现可控核聚变,但具体怎么走,谁也没把握。就在这时,苏联传来了一个令人振奋的消息。

  1968年,苏联公开了托卡马克(Tokamak)装置的实验数据。他们成功地将等离子体固定在一个环形腔体内,这就好比把太阳的中心部分“装”进了一个稳定的容器里!这一成果如同一剂强心针,瞬间将学界和工业界对核聚变研究的悲观情绪一扫而空。从20世纪70年代开始,全世界内掀起了一股核聚变研发的“托卡马克”热潮。

  中国当然不甘落后。1970年,中科院物理所的陈春先提出了一个大胆的设想:结合电工所正在开发的大型储能装置,建设托卡马克装置。这个想法很快就引起了高层的重视。1972年,周恩来总理亲自批示,支持这一设想。有了总理的支持,事情就好办多了。1973年,中科院在合肥建立了受控热核反应研究实验站,紧接着,1977年,代号“八号工程”的中大型托卡马克实验装置获批立项。至此,中国可控核聚变研究初步形成了“四川、安徽双中心”的格局,一个在乐山,一个在合肥,两个地方齐头并进,一同推动中国核聚变事业的发展。

  时间来到1979年,中国经济进入又一轮调整期。在这种背景下,中科院的“八号工程”被迫下马。不过,好在585所的中型环流器项目保留了下来,并在1984年顺利启动,被命名为“中国环流器一号”。它的研制成功,标志着中国在核聚变研究上迈出了坚实的一步,解决了从零到一的“有无问题”。不过,实事求是地说,当时“中国环流器一号”的性能还比较有限,只能含蓄地说“在第三世界核聚变研究的装置建造、实验研究水平上处于领头羊”。换句话说,虽然我们有了自己的装置,但和国际主流水平相比,还有不小的差距。

  但中国科研人员并没有因此气馁。1991年,中科院等离子体所抓住了一个难得的机会,与俄罗斯库尔恰托夫研究所达成合作协议,引进了俄罗斯研制的T-7中型超导托卡马克装置。在中俄专家的共同努力下,经过深度改造,1994年,中国第一个超导托卡马克装置HT-7正式建成。这一次,HT-7的性能有了质的飞跃,被国际学界公认为“毫无疑义地处于第三世界的领头羊,将接近国际聚变研究的前沿”。换句话说,中国终于有了一个能让国际同行“看得上眼”的装置。

  这就是全球第二次核聚变研究浪潮,也是中国可控核聚变发展的第二个阶段。在此阶段,中国从一个“上不了牌桌”的新手,逐渐成长为一个能够站稳脚跟的奋斗者。曾经那个只能在牌桌外观望的穷学徒,如今已经拿到了入场券,接下来,就是他大展身手的时候了。

  我们暂时把时间调回到1976年。彼时,由美苏倡议,在国际原子能机构(IAEA)的框架下,由美国、欧、日、俄共同建造的“国际热核聚变实验堆计划”(ITER)真正开始启动。这是一个巨大的科学计划,目标是验证核心聚变技术的科学可行性,以及反应堆的工程可行性。然而,冷战的产物,总是难免带上冷战的基因。持续的预算增加、复杂的政治原因,以及迟迟无法达成共识的选址问题,让这个看似和谐的ITER一度停摆。

  2003年,中国以“平等伙伴”身份加入了ITER计划谈判,并在2006年11月正式签署了ITER计划协议书。所谓“平等伙伴”,是指分担一部分资金,享受全部的项目权益。加入ITER后,中方不仅仅可以共享这一巨型托卡马克装置获得的各种研究成果,还能学习受控核聚变的科学现象及其控制手段,以及巨型科学装置的项目管理规范等软科学成果。更重要的是,ITER为中方分配的设备采购包,有力地带动了相关工业领域的产品、材料、工艺和标准的进步。

  这就好比咱们参加了一个羽毛球俱乐部,不仅能跟俱乐部里的其他会员切磋技术、交流心得,还能通过组内比拼选出更优秀的选手,代表俱乐部外出比赛、赢得荣誉。而中国在基建领域的强大能力,使其在ITER计划中脱颖而出,主导的工程质量好、进度快,因此经常中标。中标之后,中国不仅获得了最前沿的技术,还能通过实践打磨自己的手艺。如此一来,中国在核聚变领域的加快速度进行发展并进入国际一流行列,自然也就水到渠成了。

  比如,2006年,中科院等离子所在合肥建设的“先进实验超导托卡马克实验装置”(EAST)正式投入到正常的使用中。EAST作为世界上性能最好的托卡马克装置之一,承担起了为ITER进行先期验证实验的重任。与上一代平台HT-7相比,EAST的综合性能有了大幅度的提高,从“进入国际主流水平”跃进到了“国际领先水平前列”。再比如,2009年,西南物理研究院提出的中国环流器二号M(HL-2M)装置,不仅承担了ITER等未来巨型反应堆的预研验证工作,更重要的用意在于消化ITER项目中得到的成果。通过走通一个同类大科学装置从设计到建造调试的完整过程,带动国内相关产业的发展。2020年12月4日,HL-2M装置在成都双流的西物院基地成功放电,标志着中国可控核聚变技术已迈开双腿,稳稳站在了聚变技术的最前沿。

  在HL-2M占据着媒体聚光灯中心位置时,中国可控核聚变又迈出了新的步伐。这一次,中国不再是跟着大哥玩、看牌友脸色的穷学徒,而是已经成长为能自己组局、带着别人玩的大哥了。

  总结可控核聚变的发展历史,显而易见,经典的中国式科研方法论,就是一步一个台阶,上台阶时,既利用良好国际环境,尽可能汲取外部先进材料、设备乃至技术资料,短时间内满足应用任务要求,同时又通过带动关键子系统的国产化完成自主创新,为下一个台阶的跳跃创造条件。这种策略不仅体现了中国科研的智慧,更彰显了中国在科技领域不断地进步的精神。

  回顾中国可控核聚变技术的发展历史,我们大家可以清晰地看到这一策略的实施轨迹。从最初的艰难起步,到如今站在世界前沿,中国在这条道路上走出了一条独特的道路。

  在早期,中国核聚变研究的基础非常薄弱,技术封锁和资源限制使得自主发展几乎不可能。然而,中国科研人员并没有因此退缩,而是积极寻找机会,利用国际交流的窗口,汲取外部资源。中国通过与俄罗斯、德国等国家的合作,引进了先进的托卡马克装置,如T-7和ASDEX,并在此基础上进行深度改造和国产化,逐步缩小了与国际领先水平的差距。进入21世纪,中国在核聚变领域的步伐愈发稳健, 中国自主设计建造的EAST和HL-2M等装置,不仅在技术上达到了国际领先水平,更在某些领域实现了超越,标志着中国在核聚变技术上已经具备了自主创新能力。

  中国式科研方法论的另一个重要特点是“集成创新”与“自主创新”的结合。在核聚变领域,中国科研人员通过引进、消化、吸收国外先进的技术,实现了关键技术的国产化。例如,EAST装置在设计和建造过程中,大量采用了国产化的核心部件,不仅降低了成本,还提升了装置的性能。这种“以我为主”的创新模式,不仅使中国在核聚变技术上实现了从跟跑到并跑再到领跑的跨越,更为中国未来在其他高科技领域的自主创新提供了宝贵经验。

  如今,中国在可控核聚变领域的成就举世瞩目。从EAST创造的世界纪录,到HL-2M的成功放电,再到中国在ITER计划中的重要贡献,中国慢慢的变成了全球核聚变研究的领军者。然而,中国科研人员并没有满足于现状,他们深知,实现核聚变能源的商业化应用,还有非常长的路要走。在未来的征程中,中国将继续秉持自主创新的精神,不断探索,为人类的能源事业做出更大的贡献。

  展望未来,当可控核聚变技术真正的完成商业化应用,那将是一个全新的时代。电力将变得无比廉价,能源危机将成为历史,环境污染将大幅度减少,人类文明将迈向一个新的高度。而中国,作为这一伟大进程的推动者,将在人类科技发展的史册上留下浓墨重彩的一笔。返回搜狐,查看更加多