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非凡十年看中核(6)|地下深处,仰望星空

发布时间:2022-09-28 信息来源:

  http://v.people.cn/n1/2022/0928/c421419-32535924.html

  

  “天高地迥,觉宇宙之无穷;兴今悲来,识盈虚之有数。”宇宙在世人的眼中是一个永恒的存在,既笼罩着神秘的色彩,又使人感到好奇和向往。

  主导宇宙演化的洪荒之力到底是什么?占宇宙95%的暗物质与暗能量究竟是怎样的存在?探测暗物质对揭开宇宙奥秘至关重要,暗物质、中微子、恒星演化、元素形成,这些前沿科学研究将为人类认识宇宙带来革命性的突破。科学研究苦苦探寻的答案,也许不在浩渺星空,而在2400米地下深处。

  在这个由清华大学与国投集团雅砻江流域水电开发有限公司(简称:国投集团雅砻江公司)合作共建运行的世界最深地下实验室——中国锦屏地下实验室中,科学家们在这里“仰望星空”,寻找那最“弱”的光,向更深邃的宇宙奥秘“进军”!

  向深地进军,打造中国首个“世界最深”

  暗物质、中微子、恒星演化、元素形成……这些前沿科学研究将为人类认识宇宙带来革命性的突破。选择在深地“仰望星空”,是利用山体阻挡宇宙射线的干扰,为科学实验提供最“纯净”的环境。在中国锦屏地下实验室建成之前,深地实验室是欧美发达国家的专利。

  中国锦屏地下实验室的建设,从本世纪初开始。世纪之初,国投集团雅砻江公司将锦屏大河湾截弯取直,建设两座世界级水电站。2008年8月8日,北京奥运会开幕当天,连接两座电站的锦屏山隧道贯通,正在苦苦寻找暗物质研究场地的清华大学敏锐意识到这里是开展暗物质研究的绝佳场所,迅速与雅砻江公司取得联系。

  锦屏山隧洞是世界上埋深最深的隧道之一,建设过程中多次遭遇大流量突涌水,遭遇较大规模岩爆1200多次,被国内外专家称为地下工程施工中的“癌症”。在此基础上扩挖建设实验室,稍有不慎,会再次引发岩爆、塌方,对原有隧洞造成巨大破坏,甚至对锦屏水电工程建设造成极大影响。

  面对种种风险与挑战,国投集团毅然决定支持国家基础科研,由雅砻江公司与清华大学共建锦屏实验室。通过科学论证解决安全风险,仅用一年半时间就完成了实验室建设。2010年12月,中国锦屏地下实验室建成投运,成为我国首个、也是世界最深的地下实验室。

  2014年,清华大学与国投集团雅砻江公司规划建设更大空间,能容纳更多实验组的实验室二期项目,将地下可用实验空间由原来的4000立方米增加到30万立方米,同时在一期、二期工程基础上,提出建设“极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施”(简称“锦屏大设施”)项目。该项目最终获得国家正式批复,并于2019年7月20日启动。作为前瞻引领型的重大科技基础设施,中国锦屏地下实验室为中国深地基础科学研究提供了重要平台,成为一项新的国之重器。

  攻克“地下2400米”极限挑战,建设最“纯净”的实验室

  在地下2400米的地方“仰望星空”,是因为地下实验环境能降低宇宙线对科学实验的干扰,中国锦屏地下实验室开展的实验研究,除控制宇宙线通量外,还需要严格控制“环境本底”,让实验处于“纯净”的环境中。

  在这大山深处,隧洞之中,想要建设最“纯净”的实验室绝非易事。深地环境本身氡气含量偏高,富集效应会进一步增大氡气浓度,对实验产生干扰。同时,实验室建设所需的钢筋、水泥、骨料,以及实验仪器设备等都需要满足低本底要求,降低对实验的干扰。

  成功的路上困难重重、满是荆棘。锦屏大设施工程建设在国内没有先例,没有任何借鉴的工法和标准,只能在实践中不断探索。深地环境对科研是优势,对工程建设却是巨大的挑战:空间有限、洞室纵横、环境复杂,极大增加了工程建设的难度。锦屏大设施对工程质量要求严苛,也对施工技术、工艺工法、施工组织等提出了更高要求。

  3年来,各参建单位、高校、设计院通力合作,不断攻关,走出了一条自主创新道路,在满足地下实验室低本底辐射值、氡气抑制、表面洁净的基础上综合考虑防水措施,做到防排结合,刚柔相济,实验空间耐久适用,突破该项技术瓶颈,更是首创防水抑氡工艺。

  处于地下深处的建设者们殚精竭虑、攻坚克难,极力破解着“挑剔”的建筑材料、设备、工艺、质量等方面的诸多难题。中建集团正在施工实验室二期,创新使用10层复杂结构,将岩石产生的水和氡气屏蔽在实验室之外,所有设备、材料均特殊定制,做到辐射最低,以保障未来科学实验的精度。实验室所用的建筑材料、实验器材等全部定制生产,每批次材料均需进行低本底辐射检测,在探测器核心区,要求放射性核素含量小于10微贝克(每秒有一个原子发生衰变时,其放射性活度即为1贝克)每公斤的超纯材料,非核心区材料也要求小于每公斤1毫贝克。

  大国重器的建造离不开“大国脊梁”,在地下2400米,聚集着中国极深地下科研和建设的国家队,他们向极限挑战,建设世界最“纯净”实验室,众志成城打造出这座“国之重器”。

  开放共享,打造全球深地科学研究“圣地”

  中国锦屏地下实验室成立之初,清华大学CDEX实验团队和上海交通大学PandaX实验团队入驻锦屏地下实验室,主要开展暗物质探测方面的研究。

  2400米深处的锦屏地下实验室,犹如探索宇宙星空的“发现之门”,科学家们在这里取得了一系列喜人的成果,助力我国暗物质研究实现了从“跟跑”、“并跑”到“领跑”的跨越,推动了我国相关基础前沿领域迅速发展。2020年12月,中核集团中国原子能科学研究院和中科院近代物理研究所在这建成世界最强流深地核天体物理加速器,并成功出束。科研团队对“圣杯”反应(直接影响恒星演化进程的12C(α,γ)16O核反应,被誉为核天体物理研究领域的“圣杯”反应。)等进行直接测量,灵敏度、统计精度、曝光量、能量范围均为国际最高水平。

  与此同时,越来越多的顶尖科研团队也相继入驻,形成了多学科交叉的前沿实验平台,实验组研究方向愈加丰富,新的研究成果捷报连连,吸引着更多科研需求。

  2024年,中国锦屏地下实验室二期将建成投入运行,将成为具备极低氡气浓度、极低环境辐射、超低宇宙线通量、超洁净空间等优势的国际一流深地实验室。

  未来,中国锦屏地下实验室将持续吸引国内外顶级科学团队入驻,形成暗物质探测、核天体物理、生命科学、岩石力学等多学科交叉的世界级开放共享实验平台,成为全球深地科学研究的“圣地”。

  中国深度,央企担当。当建设科技强国的时代召唤与个人价值在锦屏山地下2400米深处汇聚,一曲击鼓催征、奋楫扬帆的壮美诗歌激越奏响。

  中国锦屏地下实验室的建设者们满怀豪情,投身支持国家基础科学研究的伟大事业,在人类科学史上,中国人注定将留下浓墨重彩的一笔。

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