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世界最深地下实验室为何在锦屏

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2023-12-08 18:18:01
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澎湃新闻获悉，12月7日，中国锦屏地下实验室二期极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施（下称锦屏大设施）土建公用工程完工，具备实验条件。这标志着世界最深、最大的极深地下实验室正式投入科学运行。首批来自清华大学、生态环境部、北师大、中国原子能研究院、上海交大、四川大学、中国科学院大学、工信部电子五所等单位的10个实验项目组进驻于此。

锦屏地下实验室位于四川凉山锦屏水电站锦屏山隧道中部地下2400米处，以锦屏山为天然平台，以水电站深埋长隧洞为基础，锦屏大设施是该实验室的二期项目。与国际上其他地下实验室相比，中国锦屏地下实验室岩石覆盖最深、宇宙线通量最小、辐射本底最低、可用空间最大，还具备交通便捷、电力及水源充足、基础设施完备等优势。

巍峨锦屏山、磅礴大河湾，看似两条平行线、毫不相干的水电工程与基础科学在此意外结缘，诞生了追寻“宇宙幽灵”的绝佳场所。

四川凉山，雅砻江河谷深切，地形陡峻。这里建造了世界上埋深最大的水工隧道群，最大埋深超2400米。2020年12月，锦屏大设施在这里开工建设，在地下2400米扩挖实验空间

水电站下有玄机

锦屏地下实验室的建设，要追溯到本世纪初。

雅砻江从青藏高原一路奔腾而下，在著名的锦屏大河湾河段，沿着锦屏山蜿蜒流淌，弯出了150公里的大河湾。大河湾直线距离只有17公里，天然落差达到300多米，蕴藏了极其丰富的水能资源。

“大坝建此，得天独厚。”中国水电泰斗、两院院士潘家铮曾感叹道。2003年，由国家开发投资集团有限公司和四川省投资集团有限责任公司共同出资，国投集团控股的雅砻江流域水电开发有限公司（下称雅砻江公司），开始建设雅砻江上的两座世界级水电站——锦屏水电工程（锦屏一级、锦屏二级）采用一级高坝、二级截弯取直引水联合开发方案，总装机840万千瓦。

其中，锦屏二级水电站利用雅砻江150公里锦屏大河湾的天然落差，截弯取直开挖隧洞引水发电。世界最高坝锦屏一级水电站、世界最大规模长引水式水电站锦屏二级水电站在群山峡谷中遥相呼应，被形象地称为“双子星”电站。

业内有一句话叫做“三峡最大，锦屏最难”。锦屏水电站有三“最”：地质条件最复杂、施工环境最恶劣、技术难度最大。连接两座电站的锦屏山隧道长达17.5公里，垂直岩石覆盖2400米，是国际上岩石覆盖最厚的地下隧道。该隧道的建设极为不易，施工中多次遭遇高压大流量突涌水，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”。

在深地利用深厚的岩石覆盖条件屏蔽各种宇宙射线的干扰，可为前沿物理科学研究提供理想的实验环境。但彼时由于国内没有合适的深地实验环境条件，清华大学、上海交通大学、中国原子能科学研究院等从事前沿物理研究的高等院校、科研机构只能租借国外实验室的场地开展相关科学研究，囿于租借的实验场地空间逼仄，且在使用时处处受制于人，各科研机构在研究中几乎无法取得实质性成果。

在国内建设属于中国人的深地实验室的愿望也在他们心中逐步萌发并愈发强烈。问题是，建在哪？哪儿有这种合适的深地条件？

2008年8月8日，锦屏山隧道贯通。当时苦苦寻找暗物质研究场地的清华大学从新闻联播的相关消息里敏锐意识到，这正是他们梦寐以求的建设前沿物理深地实验室的理想场所，于是立即与雅砻江公司取得联系，希望利用锦屏山隧道建设深地实验室。

但这又是一个艰难的抉择。

对于一家专注于清洁能源开发的中央企业而言，前沿基础科学实验室建设与自身主业完全不相关，更像是一个“公益项目”。更重要的是，当时隧道已经建成，若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，甚至对水电工程建设造成影响。现在再返回去在埋深最深、地应力最高处继续开挖实验室，会不会影响锦屏山隧道本身的洞室围岩稳定？会不会影响锦屏二级水电站引水发电洞室群的安全？

最终，雅砻江公司多方沟通、毅然支持国家基础科研，与清华大学共同推动了实验室项目的上马。相比于美国杜塞尔地下实验室10年的计划建设周期，锦屏地下实验室一期仅用一年半时间就完成建设。

中国锦屏地下实验室位于四川省凉山州锦屏水电站锦屏山隧道中部埋深2400米处，图为锦屏山交通隧道东端

攻克“地下2400米”极限挑战

2010年12月12日，中国锦屏地下实验室一期揭牌投运，结束了我国没有深地前沿物理实验室的历史。

得益于超过2400米岩石覆盖的有利条件，实验室能完美屏蔽各类宇宙射线，实验室内宇宙线通量仅为地表的一亿分之一，远远低于国外同类型实验室。清华大学CDEX实验团队和上海交大PandaX实验团队入驻后，在较短的时间内使我国暗物质直接测量实验从无到有，并迅速达到国际先进研究水平。

2014年，清华大学与雅砻江公司规划建设实验室二期项目，将地下可用实验空间由原来的4000立方米增加到33万立方米。在二期工程基础上，双方提出建设国家重大科技基础设施——锦屏大设施项目，并获国家批复。

锦屏大设施相继于2018年和2019年通过国家发改委和教育部的审核批复，于2020年12月20日正式开工建设。该项目也是国内唯一一个校企共建的国家重大科技基础设施项目。

实验室主任、北京师范大学党委书记程建平表示，锦屏大设施作为粒子物理和核物理领域的“国之重器”，为暗物质、中微子、核天体物理等前沿物理科学研究提供了极低辐射本底实验条件。作为开放共享的大科学装置，锦屏大设施也为深地岩体力学、深地医学等深地科学提供了绝佳的研究平台。

截至目前，实验室已有10个实验团队入驻，覆盖暗物质探测、中微子研究、核天体物理、深地医学、深地岩石力学、微弱力测量等多个学科门类，突破性成果不断涌现。

深地实验设施项目对科学实验是优势，对工程建设却是挑战。在地下2400米，锦屏山厚实的大理岩能隔绝大部分宇宙辐射，但岩体却会产生具有放射性的“氡气”，影响到实验精度。与此同时，锦屏大设施建设使用的建筑材料及机电设备同样会引入新的放射性源头，必须严格控制。地下洞室空间有限、环境复杂，也进一步增加了工程建设难度。

该项目施工中，创新使用10层材料，在10万平方米的洞室表面层层设防，屏蔽岩石产生的水和氡气，氡气抑制率达99％。为实现更低的辐射本底要求，所有设备、材料均为定制，并成功研发生产出低辐射水泥、金刚砂、岩棉及一批低辐射机电设备，均为国际首创，最大限度控制实验室辐射本底，打造最“纯净”实验环境。

来源：澎湃新闻