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科工力量:中国铸剑人——核技术的突破与发展
在理顺了队伍之后,中国可控核聚变研究重新出发。
1966年4月,国家科委在哈尔滨召开了可控核聚变为主题的“第三次全国电工会议”,同意中科院物理所恢复核聚变研究,并明确了技术路线的分工,科研力量更强的二机部585所主攻当时最有前景的磁镜方向,中科院则承担箍缩类装置的开发。
1969年,负责585所筹建的李正武先生带领原14室全体人员南下,与前期抵达的原东北所职工会合,585所正式进入工作状态,孙湘先生也回到了李正武身边,这对博士伉俪从此心无旁骛地投身到了中国可控核聚变事业之中。
585所初期的科研重点放在了代号303工程的超导磁镜上,以今天的眼光来审视,这是一个相当有远见的研究思路,目前有数家私营企业也正在试图从这一方向突破小型核聚变堆,不过在当时,低温超导这一关键技术还远未成熟,严重拖累了303工程进展,同一时期,中科院的箍缩装置尽管率先实现了高温等离子体聚变中子的放出,但箍缩这一技术方向的未来前景更为渺茫。
托卡马克冲击波出现后,对于这一革命性的技术突破,国内的反应应该说相当敏锐。
1970年,中科院物理所当时的青年天才陈春先,率先提出了与中科院电工所正在开发的大型储能装置结合,建设“强磁场环形热核反应实验装置”(即托卡马克装置)的设想,在这位极具传奇色彩的人物多方奔走活动下,1972年10月4日,相关设想得到了周恩来总理的批示,总理指出受控热核反应研究应当“两条腿走路,百家争鸣”。
借助这股东风,1973年1月,中科院在合肥建立了受控热核反应研究实验站,1977年,代号八号工程的中大型托卡马克实验装置获批立项,定点合肥,中国科学院随后正式组建了等离子体物理研究所作为业主单位,中国可控核聚变研究四川、安徽双中心的格局初步成型。
也是在这一时期,作为老大哥的585所经过全所大讨论,毅然决定放弃已经投入多年的磁镜和仿星器技术路线,将科研重点放在托卡马克(当时称为‘环流器’)装置上,1973年,在李正武、孙湘夫妇的奔走努力下,代号451工程(二机部‘四五’期间第一号重点项目)的中型托卡马克装置正式上马。
相比起在第二次核聚变研究热潮中独领风骚的美国人,中国人的眼光和嗅觉丝毫没有落后,但薄弱的产业底子如同老迈的手脚无法配合意识,使中国托卡马克研究在前期仍然大大落在了世界水平的后面。
1979年,中国经济进入又一个调整阶段,在"调整、改革、整顿、提高"的新八字方针指导下,中科院的中大型托卡马克装置“八号工程”被迫下马,研制保障条件更好一些的585所中型环流器项目得以保留,并最终于1984年成功启动,被命名为“中国环流器一号”。
中国环流器一号的研制成功,只能说解决了从零到一的有无问题,其性能被含蓄地界定为“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先地位”,与主流大部队还有不小的差距。
1991年,中科院等离子体所与俄罗斯库尔恰托夫研究所达成合作协议,引进后者研制的T-7中型超导托卡马克装置,并会同俄方专家进行深度改造,最终于1994年建成了我国第一个超导托卡马克装置HT-7,其性能再进一步,“毫无疑义地处于第三世界的领先地位,将接近国际聚变研究的前沿”,也就是说,能够被主流学界“看得上眼”了。HT-7这一较大科研装置的建成,也使周恩来总理当年批示的,等离子体所与核工业西南所的可控核聚变研究“两条腿走路”格局名副其实。
中国的可控核聚变研究水平,在“两条腿”协调地迈进中明显加速,HT-7建成后不久,西南所与德国方面达成协议,拆运德国退役的ASDEX中型托卡马克装置回国,以其两大主机部件和支撑系统为基础,辅助系统国内配套,于2002年底完成了中国环流器第二代装置HL-2A的建设,
在中国人一步步向上攀登的同时,美国人则如同龟兔赛跑中的那只兔子,亲手掐灭了自己在第二次核聚变研究浪潮中的势头。
1986年,耗费三亿多美元(相当于今天的近10亿美元)研制的劳伦斯利弗莫尔国家实验室巨型磁镜实验装置MFTF,在建成的第二天即被通知封存弃用,上峰给出的理由是为了平衡预算,这一闹剧折射出,可控核聚变研究在美国业已政治化的困境。
自里根以降的共和党人,对于可能影响到油气生意“大循环”的可控核聚变,始终报有敌视态度,即便里根发起了最初的ITER国际聚变实验堆合作倡议,但着眼点也更多放在了粉饰形象的对外宣传价值上,对于其经济前景不报期待,按照美国人的测算,一个可能的核聚变发电厂,其发电成本充其量可以将将追平现有燃煤发电,并非公众幻想中点石成金,无本万利的生意,国内对聚变发电验证堆的建设成本估算,也达到了约150亿美元的惊人水平,超强磁场的承载材料、超高能等离子体的约束控制、聚变中子射流的防护,都还有许多技术上的不确定性。
而在环保议题上日益极化的民主党,则将其政策主张与风电、光伏等分布式清洁能源路线深度捆绑,显然是由于这个圈子里的金主更加慷慨。于是打环保牌,本应大力支持核聚变研究的民主党阵营,反而也对可控核聚变加以妖魔化,例如公知名人杰里米·里夫金就曾感慨,可控核聚变将是我们星球上能发生的最糟糕的事情,取之不竭的能量会带来愚民群氓巨大的浪费,乃至加快耗尽地球的资源。(“It’s the worst thing that could happen to our planet.”)
在这种“左右夹击”的窘境里,美国可控核聚变研究本就不算很高的投入一次次缩水,70年代研究热潮中建成的大科学装置相继停用废弃,学者梯队也出现了青黄不接的现象。
而HT-7与HL-2A两个进入国际主流水平的托卡马克装置,则为中国可控核聚变事业赢得了实质性跃进的“敲门砖”。
2003年,中国以“平等伙伴”身份加入了即将开始实质性工程建设的国际聚变实验堆ITER计划谈判,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,中方将能够共享这一巨型托卡马克装置获得的各种研究成果,既包括受控核聚变各类科学现象及其控制手段知识,也包括一个巨型科学装置的项目管理规范等软科学成果,ITER为中方所分配的设备采购包,还有力带动起相关工业领域的产品、材料、工艺、标准进步。
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,简称EAST,正式投入使用,EAST较之上一代平台HT-7,综合性能有了大福提高,从“进入国际主流水平”跃进到了“国际先进水平前列”,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。
2009年,核工业西南物理研究院提出的中国环流器二号M(HL-2M)装置也获得批复立项,这台级别与EAST类似的装置,除了承担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。
这正是经典的中国式科研方法论,本书后续将加以详述的,集成创新“跳跃”与自主创新“下蹲”的黄金组合。
2020年12月4日,中国人自主设计建造的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经迈开双腿,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,中国可控核聚变已经又迈出了新的步伐,2019年,十三五规划中的十大超级科学实验装置之一,“聚变堆主机关键系统综合研究设施”(CRAFT)在合肥正式开工建设,这一研究设施将补足ITER原理验证堆与中国核聚变发电工程验证堆(又名CFETR)之间的最后一块拼图。
通过预研与试制、试验,储备超导磁体和偏滤器这两大核心系统的关键技术。降低未来核聚变电站的建设风险,该设施超越ITER的超强性能,还能够带动高能粒子与等离子体的基础科学研究,乃至深空推进技术探索。
2030年前后,根据ITER和CRAFT所获得的成果,中国核聚变发电工程验证堆将正式投入运行,再经过20年左右的长期运行验证,2050年代,中国人将很有希望率先摘取人类科学事业的一个圣杯—实现受控核聚变的实用化、驯服这一恒星级能量来源。
中国托卡马克聚变装置的先驱者,传奇人物陈春先于2004年不幸病逝,他下海后的创业远没有达到柳传志等中关村后辈的高度,但是可堪告慰的是,他开启的中国托卡马克事业,在今天已经站在了世界最前沿。
或许更有意义的是,陈春先在美国国势巅峰期所亲眼目睹,并且终其一生试图实现的那种产业与科研、市场与行政有机结合,良性循环,生机勃勃的科技进步环境,已经在今天的中国实现了。
中美之间核工业科研、生产能力的消长变化,或许证明这样一个道理:科学、产业、文化社会紧密耦合正向循环的“盛世”,并不属于某种特定的意识形态或社会制度,其内在生命力,蕴藏在发展战略之中,科技发展战略的耗散、磨损与老化,导致了产业现象层面外显的诸多现象,而如何塑造与维护良好的发展战略,中国后发赶超这一发生在当下的“第三波”工业化奇迹,将为观察者提供丰富的解析样本。
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- 责任编辑: 杨珈媛 
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