攻克「地下2400米」極限挑戰 世界最深地下實驗室的前世今生

撰文:陳進安
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中國錦屏地下實驗室二期極深地下極低輻射本底前沿物理實驗設施(簡稱錦屏大設施)周四(8日)土建公用工程完工,代表這個世界最深、最大的極深地下實驗室正式投入科學運行。據了解,與國際上其他地下實驗室相比,中國錦屏地下實驗室巖石覆蓋最深、宇宙線通量最小、輻射本底最低、可用空間最大,還具備交通便捷、電力及水源充足、基礎設施完備等優勢。

早前報道,錦屏大設施位於錦屏山地下2400米處,總容積33萬立方米。其為「十三五」時期國家優先安排建設的重大科技基礎設施,是國內第一個極深地下實驗室基礎設施建設項目,也是國際上第一次大規模建設具有極低輻射本底極端條件的綜合實驗設施,於2020年12月開建,2021年作為前瞻引領型國家重大科技基礎設施,被列為國家「十四五」規劃。

錦屏地下實驗室的建設,還要追溯到本世紀初。2003年,雅礱江上的兩座世界級水電站錦屏水電工程(錦屏一級、錦屏二級)採用一級高壩、二級截彎取直引水聯合開發方案,總裝機840萬千瓦。然而,錦屏水電站的地質條件最複雜、施工環境最惡劣、技術難度最大。連接兩座電站的錦屏山隧道長達17.5公里,垂直巖石覆蓋2400米,是國際上巖石覆蓋最厚的地下隧道,但其建設極為不易,施工中多次遭遇高壓大流量突湧水,遭遇較大規模巖爆1200多次,被國內外專家稱為地下工程施工中的「癌症」。

四川涼山,雅礱江河谷深切,地形陡峻。(澎湃新聞)

彼時,國內沒有合適的深地實驗環境條件,清華大學、上海交通大學、中國原子能科學研究院等從事前沿物理研究的高等院校、科研機構只能租借國外實驗室的場地開展相關科學研究,可是使用時處處受制於人,研究幾乎無法取得實質性成果。直到2008年8月8日,錦屏山隧道貫通,苦尋暗物質研究場地的清華大學意識到,這正是他們夢寐以求的建設前沿物理深地實驗室的理想場所,隨即聯繫雅礱江公司,希望利用錦屏山隧道建設深地實驗室。

不過問題又來了,當時隧道已經建成,若在此基礎上擴挖建設實驗室,稍有不慎便會再次引發巖爆、塌方,嚴重破壞原有隧洞,甚至影響水電工程建設。但經多方溝通,雅礱江公司毅然支持國家基礎科研。2010年12月12日,中國錦屏地下實驗室一期揭牌投運,結束了中國沒有深地前沿物理實驗室的歷史。而與美國杜塞爾地下實驗室10年的計劃建設周期比較,錦屏地下實驗室一期僅用一年半時間就完成建設。

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2014年,清華大學與雅礱江公司規劃建設實驗室二期項目,將地下可用實驗空間由原來的4000立方米增加到33萬立方米。雙方提出建設國家重大科技基礎設施,即錦屏大設施項目,獲國家批覆,並於2020年12月20日正式開工建設。

由於地下洞室空間有限、環境複雜,工程建設甚具挑戰。在地下2400米,雖然錦屏山厚實的大理巖可隔絕大部分宇宙輻射,但巖體卻會產生具有放射性的「氡氣」,影響實驗精度。而建築材料及機電設備同樣會引入新的放射性源頭,所以必須嚴格控制。最終,項目創新使用10層材料,在10萬平方米的洞室表面層層設防,屏蔽巖石產生的水和氡氣,氡氣抑制率達99%。為實現更低的輻射本底要求,所有設備、材料均為定制,並成功研發生產出低輻射水泥、金剛砂、巖棉及一批低輻射機電設備,均為國際首創,最大限度控制實驗室輻射本底,打造最「純凈」實驗環境。

錦屏地下實驗室布置示意圖。(澎湃新聞)

實驗室主任、北京師範大學黨委書記程建平表示,錦屏大設施作為粒子物理和核物理領域的「國之重器」,為暗物質、中微子、核天體物理等前沿物理科學研究提供了極低輻射本底實驗條件。其也為深地巖體力學、深地醫學等深地科學提供了絕佳的研究平台。

目前,首批來自清華大學、上海交通大學、北京師範大學、中國原子能科學研究院、中國科學院武漢巖土力學研究所等高校和科研院所的10個實驗項目組進駐開展科學實驗。