就像兒歌中所唱的，“我有一個(gè)美麗的愿望，長(zhǎng)大以后能播種太陽(yáng)”，長(zhǎng)久以來(lái)，人類一直希望通過(guò)可控核聚變反應(yīng)，來(lái)創(chuàng)造出“人造太陽(yáng)”，從而獲得源源不絕的能源，大幅改善人們的生活。
就在前不久，中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)宣布，新一代可控核聚變研究裝置“中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M”，預(yù)計(jì)于2020年投入運(yùn)行。中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院院長(zhǎng)段旭如表示，該實(shí)驗(yàn)裝置的建成將為人類真正掌握可控核聚變提供重要技術(shù)支撐。我們距離“人造太陽(yáng)”的夢(mèng)想，又近了一步。
源源不絕的清潔能源
眾所周知，石油是工業(yè)的血液。但以石油為代表的化石能源，有兩個(gè)繞不開(kāi)的問(wèn)題：一是不可再生，二是污染。即便頁(yè)巖氣、可燃冰等新型能源被不斷開(kāi)發(fā)，但歸根結(jié)底都有消耗殆盡的一天。而目前的核裂變能也存在著反應(yīng)原料(鈾等)有限、核廢料放射性污染的問(wèn)題。
有沒(méi)有一種能源，既無(wú)窮無(wú)盡，又清潔環(huán)保?還真有一個(gè)，就是可控核聚變。
從“進(jìn)口”上說(shuō)，可控核聚變所需的反應(yīng)原料(氘原子和氚原子)，在地球上非常豐富。氘在海水中儲(chǔ)量極大，1公升海水里提取出的氘，在完全的聚變反應(yīng)中可釋放相當(dāng)于燃燒300公升汽油的能量;而氚可通過(guò)中子與鋰反應(yīng)生成，在地殼和海水中，鋰都是大量存在的。
從“出口”上說(shuō)，可控核聚變的產(chǎn)物為氦和中子，不排放有害氣體，也幾乎沒(méi)有放射性污染，具有環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn)。
“核聚變能一旦實(shí)現(xiàn)和平利用，地球上的能源將取之不盡用之不竭，因能源短缺帶來(lái)的社會(huì)問(wèn)題可得到徹底解決，人們的生活水平也將因此而得到極大提高。”段旭如說(shuō)，像海水淡化、星際飛船這類工程，過(guò)去因耗能太大而令人們猶豫不決，而未來(lái)在可控核聚變能的支持下，都將能夠更快發(fā)展。
不僅零污染、用不完，可控核聚變還有另一個(gè)重要特點(diǎn)：固有安全性。許多人一想到用核能發(fā)電，就會(huì)想到切爾諾貝利核事故或者福島核事故，從而有了“恐核”心理，談核色變。事實(shí)上，核聚變反應(yīng)需要氘氚燃料達(dá)到上億攝氏度的高溫和足夠高的密度等苛刻條件，任何一點(diǎn)細(xì)微條件的缺失，都會(huì)導(dǎo)致溫度密度的下降，致使聚變反應(yīng)停止。
然而，世界上仍然有許多環(huán)保機(jī)構(gòu)公開(kāi)指責(zé)核聚變所存在的安全隱患，包括產(chǎn)生核廢料以及核泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)此，段旭如解釋：“由于燃燒的氘氚等離子體被磁場(chǎng)約束在真空容器內(nèi)，其密度比空氣低數(shù)個(gè)量級(jí)，聚變堆氘氚燃料含量也較低，因此不會(huì)引起爆炸，也不會(huì)導(dǎo)致泄漏事故。”
理想很美好，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)并不容易。一個(gè)最明顯的問(wèn)題，就是用什么容器來(lái)承載核聚變。
據(jù)段旭如介紹，在地球上利用核聚變能，要求在人工控制條件下等離子體的離子溫度達(dá)到1億攝氏度以上。“1億度是什么概念?太陽(yáng)的核心溫度大概在1500萬(wàn)度至2000萬(wàn)度;而地球上最耐高溫的金屬材料鎢在3000多度就會(huì)熔化。1億度，已經(jīng)超過(guò)太陽(yáng)核心溫度的5至6倍了。”中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院特聘研究員鐘武律解釋說(shuō)，“在地球上，沒(méi)有任何材料可以把1億度高溫的等離子體給直接包裹起來(lái)。”
不過(guò)這個(gè)問(wèn)題還是難不倒人類科學(xué)家，他們“無(wú)招勝有招”，想出了用強(qiáng)磁場(chǎng)來(lái)約束高溫核聚變?nèi)剂系霓k法。但具體用什么裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，還要繼續(xù)探索。從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，英、美、蘇等國(guó)科學(xué)家前赴后繼，快箍縮、磁鏡、仿星器等不同的技術(shù)路線此消彼長(zhǎng)。競(jìng)爭(zhēng)延續(xù)到了1960年代，最終由蘇聯(lián)科學(xué)家提出的托卡馬克方案異軍突起，效果驚人，國(guó)際聚變界的重點(diǎn)研究方向隨之轉(zhuǎn)向了托卡馬克。
攻堅(jiān)克難的核聚變?nèi)?/strong>
當(dāng)世界的可控核聚變研究如火如荼時(shí)，中國(guó)“人造太陽(yáng)”的建設(shè)也沒(méi)有掉隊(duì)。早在1955年，錢(qián)三強(qiáng)和剛留美歸來(lái)的李正武等科學(xué)家便提議開(kāi)展中國(guó)的“可控?zé)岷朔磻?yīng)”研究，這與國(guó)際社會(huì)關(guān)注核聚變幾乎同步。
1965年，根據(jù)國(guó)家“三線”建設(shè)統(tǒng)一規(guī)劃，在四川省樂(lè)山市郊區(qū)，建立了當(dāng)時(shí)中國(guó)最大的核聚變研究基地——西南物理研究所，這也是中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院(以下簡(jiǎn)稱“核西物院”)的前身。
而中國(guó)核聚變研究史上的重要里程碑，當(dāng)屬1984年中國(guó)環(huán)流器一號(hào)(HL-1)的建成。這是中國(guó)核聚變領(lǐng)域的第一座大科學(xué)裝置，它為中國(guó)自主設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行“人造太陽(yáng)”培養(yǎng)了大批人才，積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。
上世紀(jì)80年代，作家莫然曾造訪位于108級(jí)石梯之高的荒山上的研究所。據(jù)她回憶，剛搬遷至樂(lè)山時(shí)，所里條件簡(jiǎn)陋，可謂一貧如洗。研究者缺乏住所，甚至只能睡在帳篷里。但中國(guó)可控核聚變研究的“搖籃”恰恰是誕生在這樣艱苦的環(huán)境中，這離不開(kāi)研究者開(kāi)荒拓土、篳路藍(lán)縷之功。正如莫然所說(shuō)：“盡管研究所的房間就像山洞一樣，但我們的科學(xué)家具有舍己的奉獻(xiàn)精神，就在那樣的環(huán)境中，他們制造出了‘中國(guó)環(huán)流器一號(hào)’，光設(shè)計(jì)圖紙就有3層樓那樣高。”
從此，中國(guó)磁約束聚變一步步從無(wú)到有，從小到大，從弱到強(qiáng)。1995年中國(guó)第一個(gè)超導(dǎo)托卡馬克裝置HT-7在合肥建成;2002年中國(guó)建成第一個(gè)具有偏濾器位形的托卡馬克裝置中國(guó)環(huán)流器二號(hào) A(HL-2A);2006年，世界上第一個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克裝置東方超環(huán)(EAST)首次等離子體放電成功……
而預(yù)計(jì)2020年投入運(yùn)行的“中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M”裝置將成為中國(guó)規(guī)模最大、參數(shù)最高的磁約束可控核聚變實(shí)驗(yàn)研究裝置，其等離子體體積為中國(guó)現(xiàn)有裝置的2倍以上，離子溫度將達(dá)到1億攝氏度以上，可將電流從中國(guó)現(xiàn)有裝置的1兆安培提高到3兆安培。
作為一個(gè)歷經(jīng)多年研制的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M精細(xì)的部件工藝很多都是前無(wú)古人的創(chuàng)造。就像在裝置設(shè)備“真空室”中，許多細(xì)小的誤差是現(xiàn)有檢測(cè)儀器所無(wú)法感知的，很多時(shí)候甚至需要自主開(kāi)發(fā)新的檢驗(yàn)設(shè)備，因?yàn)檫B塵埃般大小的缺陷都會(huì)影響最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
為了保障中心柱這個(gè)高約2層樓、重約80噸的裝置設(shè)備在移動(dòng)過(guò)程中不受磕碰，且安裝精度不超過(guò)0.1毫米偏差，二號(hào)M裝置線圈團(tuán)隊(duì)在1個(gè)月內(nèi)做了十幾種方案，短短2分鐘的路程，研究團(tuán)隊(duì)最終耗費(fèi)了近9個(gè)小時(shí)才成功完成搬運(yùn)。“移動(dòng)中，大家像呵護(hù)寶貝一樣。”項(xiàng)目線圈組負(fù)責(zé)人劉曉龍說(shuō)，“還不錯(cuò)，我們成功了。”
“既然把任務(wù)交給我們這個(gè)團(tuán)隊(duì)了，我們就有義務(wù)把事情做好，給中核集團(tuán)、給核工業(yè)乃至國(guó)家一個(gè)交代。”中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M裝置項(xiàng)目經(jīng)理劉永的話擲地有聲。
走向國(guó)際的中國(guó)團(tuán)隊(duì)
可控核聚變研究非常困難，難到什么程度?鐘武律給我們做了一個(gè)比較：“世界上第一顆原子彈爆炸以后，不到十年核裂變就實(shí)現(xiàn)了和平利用，建成了核電站?？茖W(xué)家們想，氫彈成功以后，應(yīng)該也用不了多長(zhǎng)時(shí)間就能夠?qū)崿F(xiàn)核聚變的和平利用，實(shí)現(xiàn)可控核聚變。但后來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，并沒(méi)有那么簡(jiǎn)單，它需要全世界的科學(xué)家一起來(lái)努力完成。”
于是就有了2006年國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃的簽署。由中國(guó)、美國(guó)、歐盟、俄羅斯、日本、韓國(guó)和印度七方參與，計(jì)劃在法國(guó)南部普羅旺斯地區(qū)共同建造一個(gè)世界上最大的托卡馬克裝置。ITER是目前全球影響最深遠(yuǎn)且最大的國(guó)際合作項(xiàng)目之一，也是中國(guó)以平等身份參加的最大國(guó)際科技合作項(xiàng)目。其中，中國(guó)承擔(dān)了大概9%的采購(gòu)包研發(fā)任務(wù)。
“我國(guó)這些年磁約束聚變研究進(jìn)展得益于參加ITER計(jì)劃。”段旭如說(shuō)，比如中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M在設(shè)計(jì)建造過(guò)程中，通過(guò)與國(guó)際上現(xiàn)有托卡馬克裝置的交流學(xué)習(xí)，吸取了許多設(shè)計(jì)建造與運(yùn)行托卡馬克的成功經(jīng)驗(yàn)。
鐘武律還舉了核西物院研發(fā)ITER第一壁采購(gòu)包半原型部件的例子。“這是中國(guó)團(tuán)隊(duì)承擔(dān)的一份高難度任務(wù)。當(dāng)時(shí)世界上滿足ITER第一壁特殊材料要求的只有美國(guó)。我院的科研團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國(guó)內(nèi)有關(guān)單位通過(guò)十多年的努力，不僅在特殊材料的制備上，而且在焊接工藝等多項(xiàng)技術(shù)上取得了突破，2016年成功研制的ITER超熱負(fù)荷第一壁半原型部件在國(guó)際上率先通過(guò)認(rèn)證，也讓中國(guó)在這個(gè)技術(shù)上達(dá)到世界先進(jìn)水平。”鐘武律說(shuō)，“目前中國(guó)承擔(dān)的ITER采購(gòu)包，不管是在研發(fā)進(jìn)度還是在完成質(zhì)量方面，都處于七方的前列。在國(guó)際聚變舞臺(tái)上，中國(guó)有了更大的話語(yǔ)權(quán)。”
對(duì)中國(guó)可控核聚變實(shí)力的認(rèn)可，還在不斷升級(jí)。2019年9月30日，ITER主機(jī)安裝一號(hào)合同在北京簽約，由中核集團(tuán)牽頭的中法聯(lián)合體中標(biāo)該工程。這個(gè)工程安裝的是ITER裝置最重要的核心設(shè)備，其重要性相當(dāng)于核電站的反應(yīng)堆、人體里的心臟。這是有史以來(lái)中國(guó)企業(yè)在歐洲市場(chǎng)中標(biāo)的最大核能工程項(xiàng)目合同。
ITER組織總干事比戈說(shuō)：“我們很高興找到了高素質(zhì)的積極的合作伙伴來(lái)完成這項(xiàng)工作。我們期待著與世界知名的行業(yè)專家合作，按時(shí)、按規(guī)格安裝世界上最具挑戰(zhàn)性、最有前途和最重要的科學(xué)設(shè)備之一。”
“通過(guò)國(guó)際競(jìng)標(biāo)拿到了ITER項(xiàng)目最核心部分的安裝工程，證明我們的團(tuán)隊(duì)在世界上是領(lǐng)先的。”中核集團(tuán)董事長(zhǎng)余劍鋒豪情滿懷地總結(jié)道，“這也標(biāo)志著我們國(guó)家在核電事業(yè)，在核能工程的建設(shè)安裝方面，達(dá)到了世界先進(jìn)水平。”
