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科工力量:中国铸剑人——核技术的突破与发展
此时,核工业系统传统双雄:中核、中广核集团,分别提出了ACP1000和ACPR1000+的三代核电方案,追根溯源,其都脱胎于核动力院在秦山二期完成的CNP600方案,在国家相关部门协调下,两套方案最终融合为第三代核电的中国明星—华龙一号。
华龙一号方案,很快显示出在技术、成本、效率上相对AP1000的优越性,不仅在国际市场上连续取得突破,甚至福建漳州核电等原定采用AP1000机组的项目,也中途转换规划,改建华龙一号机组。
中国核工业从秦山一期起步,经历了引进美国、法国、俄罗斯、加拿大核电技术的“万国牌”阶段,并在这一阶段完成了技术消化和产业升级,为国之重器—“华龙一号”的诞生创造了基础,中国民用核技术,也终于实现了从跟跑到领跑“迎头赶上”的历史性跨越。
在“第三代核电”的戏剧性博弈中,中国核工业系统的坚忍不拔固然是核心因素,如业内泰斗彭士禄,就曾长期为第三代核电的自主创新奔走呼吁。彭士禄和李定凡等老一代核工业领导,还曾联名上书,提出核电行业重归“大一统”的方案,建议重新统一国内所有的核电设计、投资和建设力量,有利于发挥体制优势,集中力量办大事,也避免不同核电集团在海外的恶性竞争。
另一方面,不能不承认,美国核工业的“不争气”,也葬送了本已板上钉钉的AP1000前景,为华龙一号的崛起,让出了空间。
从产业发展方向领军者,到被嘲笑调侃的笑料,美国核工业的衰落,正是冷战后美国制造业演变进程的缩影。
如果说所谓的“第三代核电”上,美国厂商还能在国际市场有所斩获,那么在“第四代核电”,即快中子、熔盐等堆型的研发和工程运用上,美国企业在产业版图上已经难寻踪影,而在中远期发展方向,即核聚变堆的研发上,美国同样已经被中法等国抛在了身后。
中国的托卡马克事业
核电技术的中远期技术方向—聚变堆的发展史,同样能够展示这种战略技术领域沧海桑田的格局变化。
二战结束后,战争所催熟的种种科学技术成果,开始大规模转化为普通人能够享受到的新奇产品,走入美国中产阶级千家万户,如同今天“万物互联”愿景下,学界与商界对5G\6G技术及其应用场景的热情探索,原子能的商业应用也出现了许多“脑洞大开”的想法,从给孩子的放射能启蒙玩具,家用放射能花肥,到无限续航里程的核动力汽车。
利用核聚变这一恒星级的能源,则是更有想象空间的方向。
1953年起,在原子能委员会第二任主席,刘易斯·斯特劳斯的热情支持下,美国开始了代号舍伍德(sherwood)的核聚变反应堆工程研究,基于从原子弹到商用核裂变反应堆的发展经验,斯特劳斯自信满满地预测,也许是明天,也许是最晚十年之后,总之到1970年代,核聚变发电站将使能源变得过于廉价,以至于失去了核算意义(too cheap to meter)。
另一位高水平的战略家,哈德逊研究所创始人赫尔曼·卡恩则相信,可控核聚变带来的过剩能源,将使资本主义阵营的物质生活达到极大丰富,每一个普通人都将在未来享有今天百万富翁的生活水平,彻底“消灭”无产阶级,从而使美国在与社会主义阵营的冷战竞赛中最终胜出。
舍伍德计划明确了可控核聚变的基本方法论,即将轻元素“燃料”加热至恒星级的超高温度和压力并保持足够长时间,使轻原子核之间出现足够强度的聚变反应,以至于释放的巨大能量可使这一过程自我维持下去,维持平衡之外的过剩能量可为人类所利用。
要实现这个看似简单明了的设想,最大的难点很快浮现,那就是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,约束在一个高压状态下,地球上任何材料直接接触这一高温等离子团,都将瞬间气化,只有基于电磁力的强磁场约束具备工程实现可能。
在舍伍德计划中,同时铺开了仿星器、磁镜、箍缩等多种不同形式的磁约束技术路线研究,然而率先“突破”的却不是美国人。
1957年8月,英国大型箍缩装置ZETA启动,在其后的试验中测得大量中子,英国人据此认为该装置内的高温等离子体已经发生了聚变反应,次年1月,这一成果被广泛公布,作为应对苏联发射卫星震撼性影响的反宣传,被鼓吹为迈向无限能源的第一步,西方阵营在和平利用原子能上的领导力体现,不过仅仅四个月后,这一结果就被证实是高能等离子体不稳定运动所致,与核聚变无关。
ZETA丑闻对Z箍缩这一当时最主流技术路线声望的打击,以及同时期核聚变研究的热心倡导者,刘易斯·斯特劳斯卸任原子能委员会主席,使第一次可控核聚变研究的热潮悄然终结。
直至60年代末期,苏联长期独自坚持的托卡马克(Tokamak)磁约束技术路线对外公开了惊人的等离子体约束性能,并得到了英国研究团队的确认,为实现轻元素聚变的“点火”条件打开了新的想象空间,也因此掀起了第二波世界性的核聚变研发热潮,当时的美国科学界乐观地判断,基于托卡马克路线的核聚变反应堆将有望在1980年代中期开始发电。
苏联人实现了原理验证的托卡马克,技术的大规模深化却是在美国完成的,这一耐人寻味的事实,凸显出此时美国工业界的创新活力。
1978年,中国托克马克技术先驱,与陈景润等人一道被特批晋升正教授的青年才俊陈春先,启程赴美考察可控核聚变技术发展情况,访问美国期间,他被现代产业与前沿科学的紧密互动所深深震撼,托卡马克这一技术路线一旦方向明朗,美国人便能够依靠齐全而雄厚的产业体系和高效的市场化资源配置,“一哄而上”,快速集成出大大小小一百多套托卡马克装置,遍地开花,迅速赶超了苏联水平。
陈春先从此成为了创新成果孵化“硅谷”模式的热心践行者,被誉为中关村下海第一人,1980年12月,陈春先拉着物理所的10多位学术骨干一起成立了“北京等离子体学会先进技术发展服务部”,这实际上是中关村第一家民营科技公司,陈春先的事迹被正面报道后,激励了一位名叫柳传志的中科院技术员下海创业,此为后话。
在两大阵营你追我赶的同时,中国的核聚变研究还在艰难地起步阶段徘徊。
1955年10月8日,被软禁5年之久的钱学森一家通过深圳罗湖桥口岸,终于回到新中国,与他同行的还有李整武、孙湘这对博士夫妇以及他们刚刚满月的孩子。
李整武先生(因档案登记笔误,后改名李正武)回国后,很快提出了开展“可控热核反应”,也就是可控核聚变研究的倡议,在不久后公布的《1956-1967年科学技术发展远景规划》中,正式列入了“进行有关热核反应控制的研究”这一内容,不过优先级还无法与核武器研究相提并论,并未马上开展实质性研究。
李正武(资料图)
1957年末58年初星际航行(苏联卫星发射)与受控核聚变(英国ZETA装置)接踵而至的突破性进展及其地缘政治影响,刺激了中国科技与工业领域的“大跃进”热情,已经开展的科研项目指标越提越高,诸多还未开展研究的空白领域也顺势起步,1958年5月,中科院物理研究所内组建了第一室103组,由李正武夫人孙湘先生牵头,正式开始了中国可控核聚变的研究工作,中科院当年的《工作跃进计划》中明确提出,“要在1961年内利用高电流脉冲放电的方法,制造出摄氏500万度以上的高温”,这一指标显然是意图追赶上当时最先进的ZETA装置性能,同年10月,103组研究团队使用小型脉冲放电装置制造出的高温等离子体作为中科院国庆献礼重点成果之一,得到人民日报报道,被誉为“人造小太阳”。
除了中科院,在“大家来办原子能科学”的大跃进激情下,当时的国内核技术研究另一重镇、二机部原子能所也组建了第14研究室,开展可控核聚变研究工作,不仅如此,原子能所所长钱三强先生甚至倡议;“各省市都搞一个反应堆和一个加速器“,1958年11月 ,黑龙江省原子核物理研究所正式成立,依托哈尔滨地区良好的工业和院校环境,很快也开展起核聚变研究。
进入1959年,可控核聚变的研究被进一步提速,以中科院物理所为例,该所将人工控制热核反应列为重点项目,计划“四年内达到实现人工控制热核反应,建立一种可控制热核反应方案”,根据当时物理所制定的可控核聚变研究八年规划,最终目标是到1967年前后,将实现核聚变反应堆发电,且发电成本要低于水电站,这一目标甚至超过了当时最乐观的美国科研规划进度。
脱离实际的规划在三年困难时期理所当然地遭受挫折,几家研究单位规划的大型装置很难得到经费支持,骨干人员如孙湘、王承书等学者也被调入两弹研制任务,可控核聚变研究实质进入了停顿状态,在这一阶段,“调整、巩固、充实、提高”的八字方针是主基调,1963年,整合了黑龙江原子核物理研究所等地方单位的东北技术物理研究所,被进一步划归二机部管理,中科院物理所核聚变研究组也正式撤销,1965年,在三线建设的形势下,二机部进一步将原黑龙江所与原子能所第14研究室的可控核聚变科研力量整合,在四川乐山筹建二机部585研究所(即日后的核工业西南物理研究院),成为中国可控核聚变研究的“国家队”。
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- 责任编辑: 杨珈媛 
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