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中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室示意圖。 雅礱江流域水電開發(fā)有限公司供圖
中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部圖。雅礱江流域水電開發(fā)有限公司供圖
在涼山州木里縣、鹽源縣與冕寧縣交界處,150公里長的雅礱江錦屏大河灣,矗立著兩座...水電站——錦屏一級水電站,擁有世界..高壩;錦屏二級水電站,擁有世界.大規(guī)模的水工隧洞群。
連接兩座電站、長17.5公里的錦屏山隧道里,藏著世界.深.大的極深地下實(shí)驗(yàn)室——中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室。
暗物質(zhì)、核天體物理、中微子、巖石力學(xué)……這些前沿科技的研究,都從這座地下2400米的實(shí)驗(yàn)室起航,奔赴星辰大海。
大事記
●2009年5月
清華大學(xué)與雅礱江流域水電開發(fā)有限公司簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議,啟動(dòng)中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室建設(shè)
●2010年12月
中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室正式投入使用
●2014年8月
清華大學(xué)與雅礱江流域水電開發(fā)有限公司簽署協(xié)議,共同建設(shè)中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室(二期)項(xiàng)目
●2016年
中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室(二期)項(xiàng)目被列入國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十三五”規(guī)劃
●2019年7月
中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室正式啟動(dòng)國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目建設(shè)
●2020年12月
雅礱江流域水電開發(fā)有限公司錦屏地下實(shí)驗(yàn)室管理局成立,錦屏大設(shè)施正式開工建設(shè)
●2021年3月
國家“十四五”規(guī)劃發(fā)布,錦屏大設(shè)施躋身前瞻引領(lǐng)型國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施
世界極深實(shí)驗(yàn)室排名
●2400米(巖石覆蓋厚度)
中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室
●2000米
加拿大斯諾地下實(shí)驗(yàn)室
●1700米
法國摩丹地下實(shí)驗(yàn)室
●1400米
意大利格蘭薩索地下實(shí)驗(yàn)室
●1100米
英國伯畢地下實(shí)驗(yàn)室
●1000米
日本神崗地下實(shí)驗(yàn)室
●700米
韓國襄陽(Y2L)地下實(shí)驗(yàn)室
●600米
美國蘇丹地下實(shí)驗(yàn)室
□四川日報(bào)全媒體記者 李欣憶
2400米隧洞深處
神秘地下實(shí)驗(yàn)室一年半建成
9月22日,乘車從涼山州西昌市一路向北,在冕寧縣漫水灣駛?cè)脲\屏水電站專用公路,溯流而上,河灘峽谷,山擠著山。約兩小時(shí)后,車輛一頭扎進(jìn)開車通行需半小時(shí)的錦屏山隧道。就像進(jìn)入一個(gè)洞穴迷宮,我們穿過一個(gè)又一個(gè)洞穴,行至隧道中央,中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室到了。
實(shí)驗(yàn)室與水電站的結(jié)緣,緣于一次偶然。2008年8月8日,錦屏山隧道全線貫通。清華大學(xué)工程物理系一位老師從新聞里得知錦屏山隧道巖石覆蓋達(dá)2400米,興奮不已。“這不正是暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)夢寐以求的地方嗎?”
我們能看到的普通物質(zhì),在整個(gè)宇宙物質(zhì)質(zhì)量中只占不到15%,剩余85%都是看不到的物質(zhì),科學(xué)家們稱其為暗物質(zhì)。人類關(guān)于暗物質(zhì)的研究可追溯到80多年前,天文學(xué)家意識到,星系中恒星的運(yùn)動(dòng)速度實(shí)在是太快了,如果不是因?yàn)槭裁瓷衩氐牧α俊白プ 绷怂?,它們很有可能飛出去。
但暗物質(zhì)一直是個(gè)謎,抓取難度很大,到目前為止,世界上也沒有人真正捕捉到它。而探測暗物質(zhì),需要建設(shè)深地實(shí)驗(yàn)室,利用巖層阻擋宇宙射線的干擾,為科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供.“純凈”的環(huán)境。在中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室建成之前,深地實(shí)驗(yàn)室僅在發(fā)達(dá)國家有建,清華大學(xué)等科研院所只能利用國外的深地實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行暗物質(zhì)研究。
錦屏山隧道全線貫通后,清華大學(xué)立即與雅礱江公司取得聯(lián)系,希望利用錦屏山隧道的絕佳條件建設(shè)實(shí)驗(yàn)室。但錦屏山隧道是地質(zhì)條件極為復(fù)雜的水工隧洞,在此基礎(chǔ)上擴(kuò)挖實(shí)驗(yàn)室,面臨巨大挑戰(zhàn)。
采訪中,正在施工的實(shí)驗(yàn)室二期工地現(xiàn)場,我們碰到了雅礱江流域水電開發(fā)有限公司錦屏地下實(shí)驗(yàn)室管理局常務(wù)副局長李名川。據(jù)他介紹,在中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室一期選址和建設(shè)過程中,清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)詳細(xì)測量了錦屏山隧道中部的巖石放射性和宇宙線通量,確認(rèn)了錦屏山隧道中部覆蓋巖石是純凈的大理巖,該位置的宇宙線通量約為地面的億分之一,是非常理想的建設(shè)大型地下實(shí)驗(yàn)平臺的地方。面對種種風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn),雅礱江公司毅然決定支持國家基礎(chǔ)科研,與清華大學(xué)共建中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室。
通過科學(xué)論證解決安全風(fēng)險(xiǎn),中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室歷經(jīng)一年半建設(shè),于2010年12月正式投入使用。
穿了6層“盔甲”
只為等待一次載入史冊的碰撞
走進(jìn)中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室大門,再穿過幾道鋁合金門之后,一個(gè)神秘的空間展現(xiàn)眼前。我們睜大眼睛,來回走了幾圈,只看到一些大大小小像氧氣罐一樣的容器、像磚塊一樣的設(shè)備和儀器,看上去似乎不太科幻。
發(fā)現(xiàn)并研究暗物質(zhì),可能引發(fā)物理學(xué)革命,但由于暗物質(zhì)的聲音實(shí)在太小,探測難度極大。有..打比方說,就好像在人聲鼎沸的體育場里看比賽,還要聽清一根針掉落的聲音。因此要想探測它,需要把周圍的干擾物質(zhì)去掉。這些干擾物質(zhì)包括宇宙線粒子、中子、伽馬射線等。
清華大學(xué)工程物理系首席研究員岳騫介紹,中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室隱藏在山體下,巨大的巖層成為宇宙線的天然屏障,可以屏蔽大量的宇宙線粒子。但這還不夠,為了進(jìn)一步去掉干擾物質(zhì),這個(gè)神秘空間設(shè)置了重重防護(hù)“盔甲”。
..層為天然巖石屏障;第二層澆筑了50厘米厚的混凝土作為洞室安全支護(hù)結(jié)構(gòu);第三層放置了1米厚的聚乙烯,用于屏蔽中子;第四層為20厘米厚的鉛房子,用于屏蔽伽馬射線;第五層為20厘米厚的含硼聚乙烯,用于吸收熱中子;第六層為10厘米厚的銅房子,用于屏蔽外部鉛和含硼聚乙烯的伽馬射線。
這些設(shè)備幾乎屏蔽掉了能夠想到的一切輻射源。重重“盔甲”保護(hù)之下,低溫液氮環(huán)境中,躺著的則是直接探測暗物質(zhì)的1公斤高純鍺實(shí)驗(yàn)探測器。暗物質(zhì)探測器需要零下196攝氏度的工作環(huán)境,因此空間內(nèi)將不斷注入液氮?!扒ё憬鹬挥?9.9%的含量,即3個(gè)‘9’,但高純鍺晶體純度則達(dá)到12個(gè)‘9’以上。”岳騫說,暗物質(zhì)探測器將所探測到的信號全部記錄下來之后,清華大學(xué)在北京后方的暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室同步分析數(shù)據(jù),開展相關(guān)研究。
目前,暗物質(zhì)探測方法大體分為“上天”“入地”“人造暗物質(zhì)”3種。中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室探測暗物質(zhì)的方法屬于“入地”——在地下放置暗物質(zhì)探測器,等待暗物質(zhì)撞上來?!昂唵蝸碚f就是守株待兔?!痹莉q說,探測器可以記錄下所有與它產(chǎn)生碰撞的信號,如果探測到與普通物質(zhì)不同的信號,那么就有可能是暗物質(zhì),“我們一直在等待一次載入史冊的碰撞?!?br style="margin:0px;padding:0px;list-style:none;" />
實(shí)驗(yàn)室可用空間增加到30萬立方米
將吸引更多國內(nèi)外..科學(xué)團(tuán)隊(duì)入駐
實(shí)驗(yàn)室投用后,首批進(jìn)駐的有清華大學(xué)、上海交通大學(xué)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組。經(jīng)過這些年研究,兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組取得近30項(xiàng)國際..成果,盡管沒能直接探測到暗物質(zhì),但是通過排除法縮小了探測范圍,使我國暗物質(zhì)直接探測實(shí)驗(yàn)從無到有,研究水平達(dá)到國際先進(jìn),由“跟跑”變?yōu)椤安⑴堋?。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組還將在中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室建成更大規(guī)模的、可同時(shí)探測暗物質(zhì)和中微子的大型實(shí)驗(yàn)裝置,探尋暗物質(zhì)和中微子的..奧秘。
2020年,中核集團(tuán)和中科院在中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室建成世界.強(qiáng)流深地核天體物理加速器,并成功出束;未來還將在實(shí)驗(yàn)室開展世界上.先進(jìn)的深地核天體物理實(shí)驗(yàn),使我國成為世界核天體物理直接測量的中心。此外,中國科學(xué)家還將在這里建成國際上..個(gè)可同時(shí)測量切倫科夫光與閃爍光的大型中微子望遠(yuǎn)鏡,在探索太陽和地球中微子的能力和精度上力爭做到世界..。以中科院武漢巖土所及四川大學(xué)為代表的巖土力學(xué)實(shí)驗(yàn)組,將深入研究深地巖石力學(xué)、深地地震工程學(xué)與地球物理學(xué)等國際.前沿的深地基礎(chǔ)科學(xué)問題。
不斷斬獲科研成果的同時(shí),中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的面積也將擴(kuò)大。這座山體里的洞室,將在未來打開更多可能。
2016年我國提出“向地球深部進(jìn)軍”,同年,實(shí)驗(yàn)室二期項(xiàng)目錦屏大設(shè)施被列入國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十三五”規(guī)劃。經(jīng)過二期擴(kuò)建,中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室可用空間由之前的4000立方米增加到30萬立方米,擴(kuò)大近80倍。這里將建設(shè)世界.大的暗物質(zhì)探測器,也將開展多種學(xué)科的深地實(shí)驗(yàn)。
李名川介紹,目前錦屏大設(shè)施整個(gè)洞室的開挖、擴(kuò)挖、加固工作已經(jīng)完成,相當(dāng)于毛坯房完成。主體工程建設(shè)正進(jìn)入高峰期,正在施工的是“防水抑氡工程”和鋼結(jié)構(gòu)工程。氡是放射性氣體,不僅是影響人體健康的一類致癌物,而且其衰變產(chǎn)生的放射性粒子進(jìn)入探測器,會干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果?!耙虼?,我們決定用10層材料將整個(gè)實(shí)驗(yàn)空間包裹起來,就像給實(shí)驗(yàn)室做了一個(gè)雞蛋殼,蛋殼內(nèi)部是實(shí)驗(yàn)空間?!崩蠲ㄕf,這10層材料組成的殼體面積共11萬平方米,只有10厘米厚,特殊定制的材料本身輻射很低,既防水又抑制氡氣進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室,同時(shí)材料用量少,減少了環(huán)境輻射,保證實(shí)驗(yàn)空間.大。據(jù)預(yù)計(jì),錦屏大設(shè)施土建工程將于2023年6月基本完工,將于2024年11月建成投入使用。
中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目相關(guān)負(fù)責(zé)人表示,憑借國際..的綜合條件和科研成果,錦屏大設(shè)施在國內(nèi)外產(chǎn)生了強(qiáng)大的學(xué)術(shù)影響力,后續(xù)還將會吸引更多的國內(nèi)外..科學(xué)團(tuán)隊(duì)入駐,形成粒子物理、核天體物理、宇宙學(xué)、生命科學(xué)、巖石力學(xué)等多學(xué)科交叉的...開放共享實(shí)驗(yàn)平臺,成為全球深地科學(xué)研究的“圣地”。
【對話】
在地下2400米工作是什么樣的體驗(yàn)
□四川日報(bào)全媒體記者 李欣憶
“90后”景明坤已在中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室工作了整整7個(gè)年頭。本科從成都理工大學(xué)畢業(yè)后,他就扎進(jìn)了這座深山里的實(shí)驗(yàn)室,成為清華大學(xué)錦屏實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目的科研助理。
在地下2400米深處工作是一種什么體驗(yàn)?科研人員日常工作都有哪些?近日,記者跟他聊了聊。
記者:你的日常工作主要是什么?
景明坤:工作在不同階段各有側(cè)重。前期不僅要干專業(yè)性很強(qiáng)的“細(xì)活兒”——超純材料放射性活度測量實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集和分析,還要和工人師傅們一起干各種“粗活兒”,比如搬運(yùn)重物、清洗屏蔽組件。以前,我連擰螺絲都不太會,但到了實(shí)驗(yàn)室,很多設(shè)備要自己裝、自己調(diào),迅速上手,學(xué)會了獨(dú)當(dāng)一面?,F(xiàn)在,你能在修理鋪?zhàn)?、加工車間看到的工具,我基本上都會用了。
后來,我的主要任務(wù)是檢測各類樣本的輻射本底。.近這段時(shí)間,由于實(shí)驗(yàn)室在擴(kuò)容,工作量比較大,水泥、鋼筋、磚塊等各類建筑材料要先通過檢驗(yàn),才能正式投入實(shí)驗(yàn)室建設(shè)。
記者:怎么個(gè)檢測法?
景明坤:拿到樣本材料,攪拌至均勻,放入樣品盒中,裝滿壓實(shí),再放入儀器,進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的測量。儀器工作時(shí),我就在電腦上草擬報(bào)告,之后,提取儀器給出的能譜圖中的關(guān)鍵信息,進(jìn)行模擬計(jì)算,得到.終數(shù)值,將數(shù)值和基準(zhǔn)值進(jìn)行對比,就可以判斷材料是否合格。
記者:你每天在實(shí)驗(yàn)室待多久?
景明坤:上個(gè)月,我測了110份材料,每份材料測量耗時(shí)約3個(gè)小時(shí),每天在實(shí)驗(yàn)室待10個(gè)小時(shí)以上。實(shí)驗(yàn)室四季恒溫,冬暖夏涼,實(shí)現(xiàn)了光纖、網(wǎng)絡(luò)全覆蓋,可以用WiFi。這里..與地面實(shí)驗(yàn)室不同的是沒有窗戶,刮風(fēng)下雨絲毫感覺不到,也讓我常常分不清外界是白天還是黑夜。
記者:覺得枯燥嗎?
景明坤:早就習(xí)慣了,并不覺得枯燥,研究本身就很有樂趣。實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)產(chǎn)出過一些國際前沿研究成果,暗物質(zhì)探測團(tuán)隊(duì)正在一步步縮小暗物質(zhì)可能的藏身范圍。我有時(shí)也會想,那些厲害成果的背后,也有我的一小份力量。
記者:你對正在擴(kuò)建的二期項(xiàng)目有什么期待?
景明坤:中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行二期擴(kuò)建,科研人員期待它將來變成全球深地科學(xué)研究中心,屆時(shí)不同的團(tuán)隊(duì)帶著各自待解的謎題,匯聚于此。我想,以后會有更多任務(wù)、更復(fù)雜的工作,我要不斷提升自己,去面對更多挑戰(zhàn)。我沒有想過未來還會堅(jiān)守多久,只希望能踏踏實(shí)實(shí)地把科研做下去。
東藍(lán)星有幸為中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)提供優(yōu)質(zhì)無機(jī)納米材料,公司將研發(fā)生產(chǎn)更多優(yōu)質(zhì)的工程材料,為祖國的發(fā)展建設(shè)添一份力!