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封面新闻记者 杨晨 关天舜
不管是《流浪地球》里推动地球远离太阳系的行星发动机，还是“钢铁侠”胸口正中那颗释放巨大能量的斯塔克之心，“核聚变反应”这个命题在人类对未来的畅想中已占有重要的地位。
被重视的道理很简单，太阳之所以能够持续发光发热，是因为它在时刻发生着核聚变反应。而人类是否可以利用核聚变这个原理，在地球上来建这么一个能够可控输出能量的装置呢？
为开发未来的新能源，积极开展磁约束核聚变研究，由中核集团核工业西南物理研究院（核西物院）承担中国环流器二号装置项目，是我国大型常规磁体托卡马克聚变研究装置。该装置意在通过可控热核聚变方式，给人类带来几乎无限的清洁能源，俗称“人造太阳”。
主机磁体线圈中心柱底部
6月5日，在核西物院内，中国环流器二号M装置主机磁体线圈的核心部件成功交付，标志着整个项目顺利进入总体安装阶段。
相比于我国现有的中国环流器二号A托卡马克装置，新一代装置规模大、参数高，采用了更先进的结构与控制方式，有望将等离子体电流从我国现有装置的1兆安培提高到3兆安培，等离子体温度超过2亿度。
按照目前计划，今年年底基本建成该装置，然后进入调试阶段。
仪式现场
“心柱”交付
高冲击载荷条件下运行寿命要求不低于10万次
主机线圈系统是该装置主机的核心部件之一，用来产生磁场约束整个等离子体。
5日成功交付的是系统中心柱部分，其研制是整个线圈系统最具挑战的任务。而这次设计和制造在国内尚属首次，没有现成的工艺和设备借鉴。东方电机承接环流器装置核心部件主机磁体线圈的制造任务，成为国内首家制造环流器装置大型磁体线圈的企业。
中国环流器二号M装置主机磁体线圈的核心部件
线圈中心柱由20组环向场线圈中心段组件和中心螺旋管线圈装配而成，总体重量约90吨。中心柱制造难度大，工艺精度要求极高，高冲击载荷条件下运行寿命要求不低于10万次。
因此技术要求高，制造难度大，涉及磁场位形、电磁力、发热与冷却、电气绝缘、结构强度的设计、分析和计算，以及制造工艺的研发等方面的具体内容，增加了大量工艺试验和制造加工工艺难度。“设计方对装置进行了优化，将主机线圈装置铜合金材料升级、环向磁场线圈分段结构优化为整段结构、实现线圈小锯齿面啮合工艺等优化措施，提高了装置电气性能和机械性能。”项目相关负责人介绍，东方电机在线圈正式投产前期，还先后进行了数控加工、焊接、绝缘、安装、专机设备和专用工装六大类工艺试验项目，累计关键工艺试验项目28项。
除了制造技术完全自主化，通过工艺优化使线圈绝缘材料动态疲劳剪切强度高于国外同类装置，达到超过100万次仍不开裂。
整个线圈核心部分的成功交付，意味着装置的各零件已配齐，安装正式开始。
交付仪式现场
“精度”要求
安装磁场线圈控制1毫米以内的误差
记者在交付现场看到，目前中国环流器二号M装置的中心柱已经落座重力支撑环上。不远处，安放着如“甜甜圈”形状的主机真空室。
下一步相关工作人员将进行包括磁体部分、真空室及其它辅助系统的组合安装。
完成后这个高和直径约十米的“人造太阳”实验装置，大致模样类似于“中国环流器二号A”装置，呈八爪鱼的“姿态”。不过从参数、规模等方面比较起来，都属于升级版本。
“相关的参数都会大幅度提升，等离子体电流从我国现有装置的1兆安培提高到3兆安培，真空室内等离子体的体积是原来的三倍以上。”核工业西南物理研究所聚变科学所研究员蔡立君表示。
真空室外部
装置投入实验后，在“甜甜圈”的真空室内，等离子体温度达到上亿摄氏度，这是任何材料都无法承受的。正是这样，科学家才利用了环形磁场的方式，将高温的等离子体和材料隔离，使其悬浮不碰触到真空室的内壁，从而加热控制，实现聚变反应。而这个原理，就类似于地球南北极产生的磁场，将来自太阳的带电粒子“悬浮”起来，使其与人类隔离。
“但这也就要求磁场能够精确稳定控制等离子体的位置，约束其放电。”蔡立君介绍，在安装产生磁场的线圈时，其同轴度在半径方向的偏差要控制在1毫米之内，线圈中平面高度的偏差则控制在正负1毫米之内。
另外，为了组装高度3米多，直径5米多的真空室，相关工作人员还采购了两套激光跟踪仪，其测量精度达到0.15毫米。
安全保证
聚变产物为无放射性的氦气
中国环流器二号M装置投入实验后，对“甜甜圈”内不停“运动”的等离子体进行约束更是挑战。
中国环流器二号M装置总工程师杨青巍形容，就好像从不同方向吹起一团液体使其悬浮于空中，而左右晃动不能超过1毫米。“而且难度还要大得多，面临各种不稳定因素。”因此除了保证在安装过程中的“精度”，实验中对线圈的电流也要进行控制，一旦发现偏差便进行调节。
据悉，该装置能够承载更大线圈电流，有望将等离子体电流从我国现有装置的1兆安培提高到3兆安培，而等离子体温度也将超过2亿度，以便用于开展聚变堆相关关键物理与工程技术研究，为我国参与国际热核聚变实验堆(ITER)实验与运行以及自主设计建造未来聚变堆提供重要技术支撑。
如此高温度的实验，安全性又如何？ 杨青巍表示，大致来讲， 实现可控热核聚变的 三大条件分别为离子温度达到1亿摄氏度以上、长时间约束在有限的空间中、足够高的密度。而等离子体温度达到1亿度以上这个参数，与粒子的密度和其能量约束时间的乘积如果达到3×1021，就能够产生核聚变。“要实现可控热核聚变，这些条件非常苛刻，一旦出现任何‘差池’，反应的状态都没法保持更别说造成危险了。”他解释道。
更为重要的是，装置运作所用的燃料就是海水里面氢的同位元素氘，海水里面存在的氘可以为我们人类一千个电站使用上百亿年，所以资源的开发得以无限。“而聚变所产生的废料也无害，这保证了固有安全性。” 杨青巍指出，不同于其他的核废料处理需要浓缩和深埋，以防辐射危害，“人造太阳”聚变产物为氦气，并无任何放射性。
背景资料：
“国际热核聚变实验堆（ITER）计划”是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一。ITER装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托克马克，俗称“人造太阳”。
ITER计划于11月21日签署协议，我国成为ITER计划的七个成员之一，其他是欧盟、韩国、俄罗斯、日本、印度和美国。ITER实验堆建在法国，为以后核聚变发电站的可行性进行验证，建造预算约55亿美元；技术方面，中国将承担其中约9%的研发制造任务——这就是中核集团核工业西南物理研究院、中科院等离子体物理研究所等单位科学家承担的任务。其中，位于成都的核工业西南物理研究院承担了其中约一半部件研发的重任。
按照计划，如果ITER按计划取得成功，预计将在2035年左右建造聚变示范堆(DEMO)；有望2050年前后建造第一个商用反应堆，也就是可供商业利用的电站，到时，人们将用上核聚变能。
