4月12日21時(shí)，有中國(guó)“人造太陽(yáng)”之稱(chēng)的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置(EAST,中文名“東方超環(huán)”)創(chuàng)造新的世界紀(jì)錄，成功實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式等離子體運(yùn)行403秒。
為什么403秒會(huì)成為一個(gè)里程碑?“人造太陽(yáng)”所要實(shí)現(xiàn)的可控核聚變，對(duì)人類(lèi)社會(huì)意味著什么?我們距離這一終極能源夢(mèng)想還有多遠(yuǎn)?作為EAST牽頭人、國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)理事會(huì)理事，中國(guó)工程院院士、合肥國(guó)家科學(xué)中心能源研究院李建剛教授已在這一領(lǐng)域深耕四十多年。他畢生的夢(mèng)想，就是要在有生之年，看到有一盞燈被核聚變點(diǎn)亮。讓我們一起跟隨他的講述，走近一群“種太陽(yáng)”的人。
——編者
▲4月12日21時(shí)，EAST實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)
在電影《流浪地球2》中，有一種幫助地球遠(yuǎn)航的行星發(fā)動(dòng)機(jī)，它所用的能量就來(lái)自可控核聚變?，F(xiàn)實(shí)中，雖然像電影中那樣的重核元素可控核聚變還難以實(shí)現(xiàn)，但是對(duì)于氫的可控核聚變研究，人類(lèi)已經(jīng)走過(guò)了半個(gè)多世紀(jì)的征程。
在實(shí)現(xiàn)可控核聚變的方案中，磁約束被認(rèn)為是最適合解決能源問(wèn)題的途徑。利用磁約束實(shí)現(xiàn)可控核聚變的裝置叫做“托卡馬克”，因?yàn)榭崴铺?yáng)燃燒的機(jī)制，也因?yàn)楸患耐辛宋磥?lái)能源的美好愿景，人們更愿意將托卡馬克稱(chēng)為“人造太陽(yáng)”。
未來(lái)的終極能源為何是它?
零排放、可無(wú)限利用、永遠(yuǎn)安全
人類(lèi)的發(fā)展史一直伴隨著能源的消耗，但我們對(duì)能源消耗的速度并不是恒定的。過(guò)去一兩百年，世界人口急劇增加，人類(lèi)的能源消費(fèi)急劇增長(zhǎng)?，F(xiàn)在，地球上70多億人口主要還是依賴(lài)石油、煤等化石能源。
未來(lái)，人類(lèi)需要繼續(xù)發(fā)展，能源消耗還將更大，地球現(xiàn)有的化石能源將會(huì)很快消耗殆盡。這個(gè)時(shí)間窗口，只有100年到300年的時(shí)間。當(dāng)化石能源耗盡之后，我們要去哪里尋找穩(wěn)定的能量來(lái)源?
愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程E=mc2告訴我們，哪怕只有一點(diǎn)點(diǎn)質(zhì)量，只要引發(fā)原子核級(jí)別的反應(yīng)，瞬間就能釋放出巨大能量。因?yàn)楸M管質(zhì)量只有一克，但乘以光速的平方，能量就非常巨大。這就是太陽(yáng)可以穩(wěn)定燃燒幾十億年的原理，也是浩瀚宇宙中大部分恒星發(fā)光發(fā)熱的原因。
▲核聚變?cè)硎疽鈭D
說(shuō)起核反應(yīng)能，分為核聚變與核裂變。目前，世界上有400多座核電站都使用核裂變產(chǎn)生的能量發(fā)電。這些核電站所用的原料是鈾，僅需一克就能產(chǎn)生相當(dāng)于1.8噸石油燃燒產(chǎn)生的能量;如果用氘-氚的話，一克所產(chǎn)生的能量相當(dāng)于8噸石油。
目前，全世界的裂變核電站為人類(lèi)提供了大于10%的電力，但它有兩個(gè)重大缺陷：其一，地球上的鈾、釷、钚，儲(chǔ)量都不多，即使全部利用，千年左右就會(huì)用完;其二，核裂變時(shí)產(chǎn)生的各種射線會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生傷害，放射性物質(zhì)會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境造成放射性污染，比如美國(guó)三里島事故、日本福岡事故，以及切爾諾貝利核電站事故。盡管這些事故概率非常低，約100萬(wàn)年才會(huì)發(fā)生一次，但陰影總是存在，所以裂變電站都建在遠(yuǎn)離人群的地方。
核聚變則具有固有安全性，即永遠(yuǎn)都是安全的。根據(jù)核聚變的原理，首先是要把氫的同位素氘和氚加熱到上億度，這要保持住非常難，但要停下來(lái)很容易。而它的產(chǎn)物只有氦氣和中子——氦氣本來(lái)就是干凈的，而中子我們用水就可以將其吸收，其能量會(huì)讓水變成蒸氣，用來(lái)發(fā)電。所以，核聚變?cè)O(shè)施不釋放二氧化碳，也沒(méi)有長(zhǎng)壽命放射性元素，可以建在城市中心。
核聚變的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是資源無(wú)限。一升海水可以提取0.03克氘，釋放的能量高于340升汽油燃燒產(chǎn)生的能量，全世界海水里有40萬(wàn)噸氘——可供人類(lèi)使用100億年，比太陽(yáng)和地球的壽命都長(zhǎng)。而且，核聚變電站對(duì)資源的消耗非常低，功率密度又很高。一個(gè)聚變電站一年只需要用150公斤的重水和150公斤的鋰，而一個(gè)100萬(wàn)千瓦的煤電站一年要燒200萬(wàn)噸煤，一個(gè)裂變電站一年需要30噸鈾。
所以，國(guó)際能源署在上個(gè)世紀(jì)組織3000名科學(xué)家討論了3年，最終得出結(jié)論，人類(lèi)未來(lái)的終極能源將由核聚變和可再生能源構(gòu)成——核聚變將為我們提供綠色的、沒(méi)有任何排放的、安全的、可以無(wú)限利用的能源。
可控核聚變?yōu)槭裁催@么難?
它無(wú)處不在挑戰(zhàn)人類(lèi)科技極限
既然核聚變這么有優(yōu)勢(shì)，為什么不早點(diǎn)把它研發(fā)出來(lái)?原因在于，要實(shí)現(xiàn)可控核聚變，必須跨越非常高的門(mén)檻，條件非常苛刻。
1958年，英國(guó)牛津大學(xué)一位剛畢業(yè)的博士勞遜，用了兩年時(shí)間給出了“勞遜判據(jù)”：核聚變實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，必須要滿足“粒子密度n、溫度T、約束時(shí)間τE，三者乘積大于1021”。即溫度要達(dá)到上億攝氏度、約束時(shí)間至少要大于一秒，還要有足夠多的粒子。當(dāng)時(shí)，人類(lèi)能達(dá)到的最好成績(jī)是1011，理想和現(xiàn)實(shí)的巨大差距讓勞遜博士知難而退，但全世界其它科學(xué)家仍在孜孜不倦地追求著，一直朝著這個(gè)目標(biāo)努力了65年。
去年，美國(guó)科學(xué)家激光點(diǎn)火成功，這成為人類(lèi)科學(xué)史上一個(gè)重大事件。他們?cè)谙喈?dāng)于三個(gè)足球場(chǎng)這么大的空間里，用192路激光，在不到10納秒的時(shí)間內(nèi)，打到只有胡椒粒大小的靶丸上，實(shí)現(xiàn)了可控核聚變點(diǎn)火。美國(guó)能源部表示，這是他們?cè)?0年科學(xué)歷程中“最偉大的突破之一”。
實(shí)現(xiàn)可控核聚變的另一大難題是約束聚變粒子。我們最常見(jiàn)的聚變體是太陽(yáng)，因?yàn)樗馁|(zhì)量特別大，靠萬(wàn)有引力就可以把所有的帶電離子約束住，約束時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一秒，所以它在1500萬(wàn)℃就可以發(fā)生聚變。
還有什么約束辦法嗎?因?yàn)榫圩冃枰蟽|度高溫，不能用任何容器盛裝，所以人類(lèi)想到用強(qiáng)磁場(chǎng)把帶電粒子懸浮起來(lái)，即磁約束。
▲托卡馬克裝置示意圖
我們知道，當(dāng)溫度足夠高時(shí)，電子會(huì)飛離原子核，這就是等離子體。如果加上磁場(chǎng)，所有帶電粒子都會(huì)圍繞磁力線運(yùn)動(dòng)——有了磁場(chǎng)，粒子就被約束住了，磁場(chǎng)越強(qiáng)，約束力就越強(qiáng)。于是，蘇聯(lián)科學(xué)家由此發(fā)明了托卡馬克——它就像一個(gè)“容器”，里面的磁場(chǎng)強(qiáng)度相當(dāng)于地球磁場(chǎng)的一萬(wàn)倍，能讓粒子在其中懸浮、旋轉(zhuǎn)。
其實(shí)，科幻電影《鋼鐵俠》里就出現(xiàn)過(guò)托卡馬克，那是一個(gè)磁籠子，這種馬達(dá)只需一千克氣體就能在宇宙里飛行許多年。此外，《流浪地球》中提到用一萬(wàn)個(gè)重核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)推著地球去另一個(gè)星球，用的也是托卡馬克裝置。
現(xiàn)實(shí)中，我國(guó)很早就開(kāi)始著手研制托卡馬克。1958年，蘇聯(lián)在一次國(guó)際大會(huì)上公布托卡馬克的原理后，我國(guó)就在四川樂(lè)山建立了國(guó)內(nèi)最大的磁約束聚變基地——中國(guó)核工業(yè)西南物理研究院。項(xiàng)目最早由李正武院士提出，潘垣院士作為當(dāng)時(shí)的總工程師負(fù)責(zé)實(shí)施。
這個(gè)中國(guó)最早的磁約束聚變基地就在距離樂(lè)山大佛2.6千米的地方，如今的博物館里存放了很多老一輩科學(xué)家當(dāng)時(shí)做出來(lái)的實(shí)驗(yàn)裝置。
在安徽合肥科學(xué)島上，從1973年開(kāi)始，中國(guó)科學(xué)院也同時(shí)開(kāi)展了托卡馬克的研究。1989年，蘇聯(lián)已著手開(kāi)發(fā)第二代托卡馬克，有意把第一代裝置T-7送給其他國(guó)家。時(shí)任中科院等離子體物理研究所所長(zhǎng)的中科院院士霍裕平，做了一個(gè)對(duì)我國(guó)核聚變發(fā)展非常重要的決定，將已停機(jī)的T-7引入國(guó)內(nèi)進(jìn)行改造。
我們用兩年多的時(shí)間將它拆解、改造，建成了中國(guó)第一個(gè)超導(dǎo)托卡馬克HT-7。在這個(gè)新裝置上，我們實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于其他國(guó)家的實(shí)驗(yàn)成績(jī)。最重要的是，培養(yǎng)了一批包括我在內(nèi)的科學(xué)家。
后來(lái)，我國(guó)的磁約束做到了60秒、1000萬(wàn)℃，這個(gè)成果入選了2003年度中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞。但要真正實(shí)現(xiàn)核聚變，除了需要點(diǎn)火達(dá)到上億攝氏度的高溫，還需要長(zhǎng)時(shí)間維持。去年美國(guó)實(shí)現(xiàn)的激光點(diǎn)火是慣性約束，能量要先轉(zhuǎn)換成激光。對(duì)磁約束而言，大量的能量消耗在磁籠子的產(chǎn)生。怎樣不讓磁籠子消耗能量呢?那就要靠超導(dǎo)。所以，必須建造新一代全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置——東方超環(huán)(EAST)。
▲全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置(EAST)
一旦說(shuō)起超導(dǎo)，所有的問(wèn)題變得既簡(jiǎn)單又復(fù)雜。說(shuō)它簡(jiǎn)單，因?yàn)橄墓β蚀蠓鶞p少，意味著以后聚變發(fā)電，只需一點(diǎn)點(diǎn)能量就可以點(diǎn)火。說(shuō)它難，主要有三個(gè)問(wèn)題：首先，超導(dǎo)需要4K(-269℃)的低溫，而實(shí)現(xiàn)聚變的溫度是上億攝氏度，怎么把這兩個(gè)溫度放在一起?第二，高能粒子束很容易把周邊材料打壞，需要抗高溫、抗高輻照的材料。第三，托卡馬克對(duì)于誤差有著極端的要求，哪怕0.1毫秒、0.1毫米的誤差都會(huì)導(dǎo)致失敗，所以需要先進(jìn)的控制系統(tǒng)。而且這三者都要保持長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行。
所以，實(shí)際上，實(shí)現(xiàn)全超導(dǎo)托卡馬克核聚變比登天還難。我們需要產(chǎn)生一個(gè)上億攝氏度高溫的“甜甜圈”，還要把它放在一個(gè)-269℃的低溫容器中，再把它磁懸浮起來(lái)，這就是超導(dǎo)托卡馬克，也就是所謂的“人造太陽(yáng)”。
▲EAST主要部件示意圖
這的確挑戰(zhàn)了人類(lèi)科學(xué)和技術(shù)的極限。2000年10月，EAST項(xiàng)目正式開(kāi)工。2006年9月26日，EAST成功獲得等離子體，達(dá)到了500萬(wàn)℃，持續(xù)時(shí)間大約不到一秒。但這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。去年，EAST創(chuàng)造新的世界紀(jì)錄，成功實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的1.2億℃、100秒等離子體運(yùn)行，隨后又實(shí)現(xiàn)了1056秒、7000萬(wàn)℃。這個(gè)溫度比太陽(yáng)中心還高6倍，可見(jiàn)光已經(jīng)幾乎沒(méi)有。在長(zhǎng)時(shí)間維持方面，中國(guó)已走到世界前列，多次創(chuàng)造高約束等離子體穩(wěn)態(tài)運(yùn)行世界紀(jì)錄。
“人造太陽(yáng)”何時(shí)“亮燈”?
人類(lèi)有望10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)核聚變
未來(lái)用核聚變來(lái)發(fā)電，1000秒還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，必須是想運(yùn)行多久就能運(yùn)行多久，所以還有很多難題有待解決。
目前還有幾個(gè)比較困難的問(wèn)題。比如等離子體的加熱。平時(shí)，加熱食物最快的方法是用微波爐。一般家用微波爐只有500瓦，而EAST有全世界最大的“微波爐”，微波驅(qū)動(dòng)總功率高達(dá)30兆瓦，這幾乎是人類(lèi)現(xiàn)有技術(shù)的極限。只有多個(gè)極限技術(shù)共同作用，才有可能實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火并維持下去。經(jīng)過(guò)幾代人奮斗，現(xiàn)在EAST所用的技術(shù)基本已實(shí)現(xiàn)百分百?lài)?guó)產(chǎn)化。
另一個(gè)難點(diǎn)是長(zhǎng)時(shí)間高溫下材料很容易被打壞。聚變中所產(chǎn)生的部分微量中子，在1兆安電流下已經(jīng)像是不安分的子彈。因此，EAST中所用的材料必須又抗輻照，又耐高溫。我們用到了目前地球上幾乎最先進(jìn)的材料，這些材料承受的粒子轟擊載荷高出飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)100倍。
為推動(dòng)托卡馬克發(fā)展，國(guó)際上從1985年開(kāi)始倡議國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃ITER，2001年完成工程設(shè)計(jì)。2003年1月，國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)我國(guó)參加ITER計(jì)劃談判。2006年5月，中國(guó)正式加入ITER。
加入ITER，可以以10%的貢獻(xiàn)獲取100%知識(shí)產(chǎn)權(quán)，實(shí)現(xiàn)彎道超越，還可帶動(dòng)國(guó)內(nèi)聚變產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。通過(guò)深度參與ITER，國(guó)內(nèi)一大批企業(yè)迅速發(fā)展，初步建立起了未來(lái)中國(guó)聚變工業(yè)的基礎(chǔ)。例如，產(chǎn)生超導(dǎo)磁體所需的超導(dǎo)線，參加ITER前我們僅能進(jìn)行36公斤的小批量生產(chǎn)，現(xiàn)在我們可以年產(chǎn)150噸，廣泛應(yīng)用于核磁共振。
如今，核聚變?cè)趪?guó)際上已經(jīng)成為一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)白熱化的領(lǐng)域。人類(lèi)對(duì)能源的需求從沒(méi)有像現(xiàn)在這么緊迫。站在現(xiàn)在回望過(guò)去，前60年還是以基礎(chǔ)研究為主，現(xiàn)在應(yīng)該到了一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即從基礎(chǔ)研究到工程研究到商業(yè)化，這個(gè)進(jìn)程要加快。我國(guó)在磁約束核聚變的科技發(fā)展上走到了世界前列，要盡快建設(shè)實(shí)驗(yàn)堆(BEST)、工程示范堆(CFEDR)、商用堆。
▲聚變堆主機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置園區(qū)效果圖
我最大的夢(mèng)想就是在我的有生之年，能看到聚變點(diǎn)燃一盞燈。曾經(jīng)，我覺(jué)得這些事還很遙遠(yuǎn)，但是現(xiàn)在我發(fā)現(xiàn)有可能。因?yàn)樾碌臅r(shí)代、新的機(jī)遇，給我們提供了一個(gè)非常好的展現(xiàn)的舞臺(tái)。我相信，我們有望用不到10年的時(shí)間實(shí)現(xiàn)聚變，在我有生之年一定能看到有一盞燈被聚變點(diǎn)亮。當(dāng)然，僅僅點(diǎn)亮一盞燈還不夠，我們還要做100萬(wàn)千瓦的中國(guó)聚變工程示范堆，讓清潔安全的聚變能，點(diǎn)亮人類(lèi)未來(lái)的希望。
可控核聚變彰顯人類(lèi)命運(yùn)與共
可控核聚變技術(shù)不僅是人類(lèi)先進(jìn)技術(shù)的搖籃，更重要的意義在于，它能真正體現(xiàn)人類(lèi)命運(yùn)與共。推動(dòng)托卡馬克的發(fā)展，需要全世界科學(xué)家和工程師的共同努力。
上世紀(jì)80年代開(kāi)始，世界上所有研究磁約束聚變的等離子體物理學(xué)家始終聯(lián)合在一起，合作和交流從來(lái)沒(méi)有中斷。現(xiàn)在，每年都有成百上千人次的美國(guó)科學(xué)家到中國(guó)來(lái)開(kāi)會(huì)、交流。2022年，美國(guó)的托卡馬克裝置分配兩周時(shí)間給中國(guó)科學(xué)家做實(shí)驗(yàn)，中國(guó)的設(shè)備也有三周給他們做實(shí)驗(yàn)。之所以如此，是因?yàn)閷?shí)現(xiàn)核聚變是人類(lèi)共同的夢(mèng)想。如果未來(lái)能源問(wèn)題被解決，可控核聚變實(shí)現(xiàn)了，世界就會(huì)變得更加和平。
眼下，碳中和已成為關(guān)系人類(lèi)未來(lái)發(fā)展的一個(gè)重要課題。聚變能源是沒(méi)有二氧化碳排放的。如果人類(lèi)能夠很快實(shí)現(xiàn)核聚變，盡快開(kāi)啟聚變工程示范和商業(yè)應(yīng)用進(jìn)程，那么到本世紀(jì)末將可建設(shè)1000個(gè)聚變電站，減排二氧化碳85億噸。
聚變堆實(shí)現(xiàn)商用化后，電力會(huì)非常便宜。因?yàn)橐粋€(gè)聚變電站一年僅用150公斤重水，而重水的成本僅為每噸1500萬(wàn)元。一個(gè)千萬(wàn)人口的大城市，只需10個(gè)這樣的電站就夠了，用電成本真的可以變成白菜價(jià)。
人類(lèi)之所以成為人類(lèi)，就是因?yàn)槲覀儍?nèi)心深處都有一份善良美好的愿望，都樂(lè)于助人。技術(shù)本身不會(huì)加大貧富差距，隨著技術(shù)和文明的發(fā)展，我們將更有能力去幫助欠發(fā)達(dá)的國(guó)家和地區(qū)。
來(lái)源：文匯報(bào) 作者：李建剛(本文由林梅根據(jù)李建剛院士在“墨子沙龍”上的演講整理，發(fā)表時(shí)有刪節(jié))
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