聚变之光 | 他让不落的“人造太阳”在中国冉冉升起

2022-09-22 09:47  来源:中国科学家    李正武  核聚变

在一位科学家的带领下,1984年,中国第一代“人造太阳”装置,即我国自行设计和研制,具有完全独立自主产权的中国第一个中型受控核聚变托卡马克实验装置——“中国环流器一号”诞生了。他就是核物理学家,中国科学院院士,中国核学会核聚变与等离子体物理学会理事长,国际原子能机构“国际聚变研究理事会”首届中国成员——李正武。


煤、石油、天然气、风能……目前人类社会运转需要的绝大多数能源,其实都来自太阳能,而太阳上的能量则来自内部的核聚变反应。因此,人类始终“有一个美丽的愿望”,希望通过可控核聚变反应来实现“人造太阳”,从而获取源源不绝的清洁能源。在一位科学家的带领下,1984年,中国第一代“人造太阳”装置,即我国自行设计和研制,具有完全独立自主产权的中国第一个中型受控核聚变托卡马克实验装置——“中国环流器一号”诞生了。他就是核物理学家,中国科学院院士,中国核学会核聚变与等离子体物理学会理事长,国际原子能机构“国际聚变研究理事会”首届中国成员——李正武。


李正武

就读清华,胸怀国家

李正武,1916年出生于浙江省东阳县。李家是当地很有名气的书香门第,故居李家祠堂被赐“父子翰林”横匾,成为东阳无人不知的“翰林府”。李正武成长在“翰林府”中,父辈又格外注重教育,因此他自幼便养成了爱读书的好习惯。


李正武故居“翰林府”外景

1934年,18岁的李正武以优异的成绩同时考上了国立清华大学、上海复旦大学等四所名牌大学。在全国报考清华的3600多名考生中,他高居榜首,成为名副其实的“高考状元”。1934年,李正武选择进入清华大学物理系就读。大学毕业后,他先后在贵州省建设厅气象所、江苏医学院、复旦大学、上海交通大学任职。

大学时期的李正武在那个动荡的年代,李正武不断探索科学救国的道路。1946年,30岁的他考取了留美公费生,赴美国加州理工学院物理系攻读研究生,获得博士学位。之后,他来到加州理工学院凯洛格实验室先后任研究助理、研究员,并在美国望城医学中心从事核技术和辐射应用工作。

留美时期的李正武和妻子孙湘在郊外合影留美期间,李正武在轻原子核反应方面完成多项实验研究,对轻原子核及热核聚变反应作了多项精密实验和计算分析,提出了带电粒子活化分析方法,独立发现用阿尔法粒子轰击原子核的库仑激发现象。这一系列研究工作,为后来的热核聚变研究埋下了伏笔。1955年10月,在周恩来总理的亲切关怀下,李正武夫妇突破重重封锁乘船回国,重新踏上了祖国的土地。


留美时期的李正武和孙湘参加活动时留影

开辟道路,播种“太阳”

1952年11月,世界上第一颗氢弹爆炸成功,利用轻核聚变反应原理的氢弹爆炸,证明了氢同位素聚变释放能量的现实性,一些发达国家开始秘密进行“可控核聚变”的研究。因为氢弹是不可控的核聚变,如果要实现人工控制热核反应所产生的巨大能量,并将其利用起来,则会困难得多。1958年,可控核聚变研究开始解密并得到迅速发展。

可控核聚变被认为有望提供近乎无限的清洁能源,因此国际上对这一无限近乎理想的能源紧锣密鼓地研究着,1968年,苏联科学家在托卡马克装置“T-3”的研制上取得重大成就。全世界由此再度掀起了研究受控核聚变的热潮,而当时的中国在受控核聚变研究方面几乎还是一片空白。

1969年12月6日,年过半百的李正武夫妇带着小儿子,和同事们来到了四川乐山原二机部585所,开启了中国第一代“人造太阳”装置——中国环流器一号装置(代号451工程)的研究和设计工作。他们在最简陋的条件下从事着最前沿的研究,当时仅有的核聚变装置参考资料,就是一张示意图和几个公式,连一台计算机也没有。

李正武不畏艰难,勇挑重担,在1972年被正式任命为“451”工程总体组组长后,他更是夜以继日攻关。白天,他和各课题小组的同志讨论各种理论、技术问题,晚上回到家就忙着查阅资料,还经常接待深夜登门拜访的科研人员。

经历了反复攻坚,1972年,李正武提出了中国环流器一号装置最初的实验方案。1974年,李正武在中国首先提出“聚变-裂变共生堆”概念,以期提前实现聚变能应用的设想,聚变-裂变混合堆后来被国家“863”计划列为能源领域先进核反应堆的专题项目。他先后撰写的《中国受控核聚变的里程碑》《中国环流器一号初步实验报告》等论文和实验报告,在国内外产生了较大影响。

“夸父‘造’日”,终生逐“日”

研制“中国环流器一号”的关键部分是主机。为了使主机的工程设计和各部件的加工研制达到质量标准,李正武几乎对每个重大技术问题都亲自过问,和同志们一起逐个讨论,反复推敲,以选出最佳方案和实施方法。

在进行总体工程设计的讨论时,针对技术人员提出的外国同类装置的变压器的铁芯与主机线圈的连接方式可能造成毁坏铁芯等不堪设想的后果。李正武多次召开会议,专题讨论解决方案,并决定将护筒改为护环。

就在这时,美国公布了“ATC ”装置,其线圈和铁芯的连接方式使用的是“桥拱”方式。一部分同志便主张也采用“桥拱”方式。针对这一问题,李正武又多次组织会议集中讨论,把各个方案的利弊优劣一一作了对比,最后决定:“结合我们的实际,我们还是走自己的路——采用护环连接方式”。综合考虑了多种因素,他们保证了线圈研制安装的质量,使得环流器的总体工程得以顺利启动,并在启动后依旧保持良好的性能。

1979年,李正武乘着改革开放的春风西赴欧美、东渡日本,积极参与学术交流。了解到国际社会受控核聚变研究的动态后,他立即建议:一,用计算机系统控制物理实验并采集处理诊断数据;二,加强开展波加热的研究。


李正武和同事在实验室向上级领导汇报(从左至右:林兴炎、李正武、钱尚介、上级领导、何成逊)

他的建议被很快采纳,计算机数据采集处理系统在小型托卡马克装置上率先应用并取得良好的经验与效果。1987年,中国环流器一号装置实验数据采集处理系统建成,摆脱了传统的分析示波图时代,达到了现代化的计算机水平。此外,在后来的中国环流器装置物理实验中,波加热技术在提高等离子体电子温度、实现高约束模式放电(即H模)的重大进展中起了重要的作用。

1984年9月21日,我国自主设计和建造的托卡马克受控核聚变实验装置——中国环流器一号(HL-1)装置,按照李正武决策的总装调试方案提前启动,标志着我国核聚变能源开发事业又向前迈进了一大步。

中国环流一号(HL-1)装置1986年11月,李正武率团参加在日本京都召开的国际原子能机构第11届等离子体物理与受控核聚变研究大会。大会结束时发表的3万多字的会议总结报告在第一段对“中国环流器一号装置”实验结果给予了很高的评价:“我们高兴地看到,一个来自中国的中型托卡马克已经开始全面运行,中国的同行们做到了具有全部通常特征的、全欧姆式的托卡马克,并为今后的研究提供了一个有用的等离子体,应当祝贺。”总结全文登载于4个月后出版的国际原子能机构权威期刊《核聚变》上。李正武在该大会之前在日本名古屋召开的TCM小托卡马克国际会议上报告了“中国环流器一号(HL-1)”建造和实验结果,引起与会者极大的兴趣。

李正武始终相信“中国环流器一号”存在进步空间,他反复考量可优化的方向,并提出了具有堆芯特征等离子体意义的下一代“中国环流器”的设想蓝图。


2003年11月3日,李正武(中)与研究人员在HL-2A主机前留影

在科研工作之外,李正武也非常重视科研人才的培养,他严谨的态度给年轻的科技工作者树立了良好的榜样,为国家培养了大批科研人员,其中多数成为国家受控热核聚变和等离子体物理研究的骨干力量。年过古稀时的他,仍关注着着中国的受控核聚变研究,不时提出指导性意见。

“奠基磁约束聚变造福后世,献身核科学技术光耀千秋”,李正武高瞻远瞩、进取创新、无私奉献,为中国核能与核聚变事业作出了卓著的贡献,无愧为中国受控磁约束核聚变的奠基人。


李正武塑像
(来源:中国核聚变博物馆)
 



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