世界最深地下實驗室為何在錦屏？

　　12月7日，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（下稱錦屏大設施）土建公用工程完工，具備實驗條件。這標志著世界最深、最大的極深地下實驗室正式投入科學運行。首批來自清華大學、生態環境部、北師大、中國原子能研究院、上海交大、四川大學、中國科學院大學、工信部電子五所等單位的10個實驗項目組進駐于此。

　　錦屏地下實驗室位于四川涼山錦屏水電站錦屏山隧道中部地下2400米處，以錦屏山為天然平臺，以水電站深埋長隧洞為基礎，錦屏大設施是該實驗室的二期項目。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。

　　巍峨錦屏山、磅礴大河灣，看似兩條平行線、毫不相干的水電工程與基礎科學在此意外結緣，誕生了追尋“宇宙幽靈”的絕佳場所。

　　四川涼山，雅礱江河谷深切，地形陡峻。這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，錦屏大設施在這里開工建設，在地下2400米擴挖實驗空間。

　　水電站下有玄機

　　錦屏地下實驗室的建設，要追溯到本世紀初。

　　雅礱江從青藏高原一路奔騰而下，在著名的錦屏大河灣河段，沿著錦屏山蜿蜒流淌，彎出了150公里的大河灣。大河灣直線距離只有17公里，天然落差達到300多米，蘊藏了極其豐富的水能資源。

　　“大壩建此，得天獨厚。”中國水電泰斗、兩院院士潘家錚曾感嘆道。2003年，由國家開發投資集團有限公司和四川省投資集團有限責任公司共同出資，國投集團控股的雅礱江流域水電開發有限公司（下稱雅礱江公司），開始建設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）采用一級高壩、二級截彎取直引水聯合開發方案，總裝機840萬千瓦。

　　其中，錦屏二級水電站利用雅礱江150公里錦屏大河灣的天然落差，截彎取直開挖隧洞引水發電。世界最高壩錦屏一級水電站、世界最大規模長引水式水電站錦屏二級水電站在群山峽谷中遙相呼應，被形象地稱為“雙子星”電站。

　　業內有一句話叫做“三峽最大，錦屏最難”。錦屏水電站有三“最”：地質條件最復雜、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。該隧道的建設極為不易，施工中多次遭遇高壓大流量突涌水，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“癌癥”。

　　在深地利用深厚的巖石覆蓋條件屏蔽各種宇宙射線的干擾，可為前沿物理科學研究提供理想的實驗環境。但彼時由于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，囿于租借的實驗場地空間逼仄，且在使用時處處受制于人，各科研機構在研究中幾乎無法取得實質性成果。

　　在國內建設屬于中國人的深地實驗室的愿望也在他們心中逐步萌發并愈發強烈。問題是，建在哪？哪兒有這種合適的深地條件？

　　2008年8月8日，錦屏山隧道貫通。當時苦苦尋找暗物質研究場地的清華大學從新聞聯播的相關消息里敏銳意識到，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，于是立即與雅礱江公司取得聯系，希望利用錦屏山隧道建設深地實驗室。

　　但這又是一個艱難的抉擇。

　　對于一家專注于清潔能源開發的中央企業而言，前沿基礎科學實驗室建設與自身主業完全不相關，更像是一個“公益項目”。更重要的是，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，會再次引發巖爆、塌方，對原有隧洞造成巨大破壞，甚至對水電工程建設造成影響。現在再返回去在埋深最深、地應力最高處繼續開挖實驗室，會不會影響錦屏山隧道本身的洞室圍巖穩定？會不會影響錦屏二級水電站引水發電洞室群的安全？

　　最終，雅礱江公司多方溝通、毅然支持國家基礎科研，與清華大學共同推動了實驗室項目的上馬。相比于美國杜塞爾地下實驗室10年的計劃建設周期，錦屏地下實驗室一期僅用一年半時間就完成建設。

　　中國錦屏地下實驗室位于四川省涼山州錦屏水電站錦屏山隧道中部埋深2400米處，圖為錦屏山交通隧道東端

　　攻克“地下2400米”極限挑戰

　　2010年12月12日，中國錦屏地下實驗室一期揭牌投運，結束了我國沒有深地前沿物理實驗室的歷史。

　　得益于超過2400米巖石覆蓋的有利條件，實驗室能完美屏蔽各類宇宙射線，實驗室內宇宙線通量僅為地表的一億分之一，遠遠低于國外同類型實驗室。清華大學CDEX實驗團隊和上海交大PandaX實驗團隊入駐后，在較短的時間內使我國暗物質直接測量實驗從無到有，并迅速達到國際先進研究水平。

　　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。在二期工程基礎上，雙方提出建設國家重大科技基礎設施——錦屏大設施項目，并獲國家批復。

　　錦屏大設施相繼于2018年和2019年通過國家發改委和教育部的審核批復，于2020年12月20日正式開工建設。該項目也是國內唯一一個校企共建的國家重大科技基礎設施項目。

　　實驗室主任、北京師范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。作為開放共享的大科學裝置，錦屏大設施也為深地巖體力學、深地醫學等深地科學提供了絕佳的研究平臺。

　　截至目前，實驗室已有10個實驗團隊入駐，覆蓋暗物質探測、中微子研究、核天體物理、深地醫學、深地巖石力學、微弱力測量等多個學科門類，突破性成果不斷涌現。

　　中國錦屏地下實驗室布置示意圖

　　深地實驗設施項目對科學實驗是優勢，對工程建設卻是挑戰。在地下2400米，錦屏山厚實的大理巖能隔絕大部分宇宙輻射，但巖體卻會產生具有放射性的“氡氣”，影響到實驗精度。與此同時，錦屏大設施建設使用的建筑材料及機電設備同樣會引入新的放射性源頭，必須嚴格控制。地下洞室空間有限、環境復雜，也進一步增加了工程建設難度。

　　該項目施工中，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，并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。