科普作家硬核科普！終極能源“人造太陽(yáng)”到底是什么？
文章來源：國(guó)資小新 發(fā)布時(shí)間：2019-04-25
“如果將來有一盞燈會(huì)被聚變能點(diǎn)亮，相信這盞燈一定、也必須是在中國(guó)！”
4月22日，#科幻作家走進(jìn)新國(guó)企#第二站來到中核集團(tuán)。在核工業(yè)西南物理研究院，中國(guó)“人造太陽(yáng)”裝置首次對(duì)科幻、科普作家開放。據(jù)介紹，這個(gè)裝置的最大意義在于提供核聚變研究平臺(tái)，助力開發(fā)人類的終極能源。為什么這么說？一起聽聽科普作家的介紹。
屬于宇宙和未來的能源
能源是可以為人類生產(chǎn)或生活提供所需的光、熱、動(dòng)力等任一形式能量的資源。作為人類最偉大的發(fā)明之一和未來最理想的能源，核能在世界能源體系中扮演著越來越重要的角色。
什么是核聚變？
核聚變，顧名思義，是利用原子核聚變反應(yīng)產(chǎn)生能量。人類最早發(fā)現(xiàn)的核聚變反應(yīng)是太陽(yáng)內(nèi)的核反應(yīng)，它不斷地向外輻射能量，向地球輸送能源。因此，核聚變也被看作是宇宙的能源。它的好處也是顯而易見，比如安全性高，廢料處理成本低，原料容易獲得等等。
核聚變的燃料，氫的同位素氘在海水中儲(chǔ)量極為豐富，從一升海水中提出的氘，在完全的聚變反應(yīng)中可釋放相當(dāng)于燃燒300升汽油的能量。核聚變反應(yīng)堆不會(huì)產(chǎn)生污染環(huán)境的硫、氮氧化物，更不會(huì)釋放溫室效應(yīng)氣體，而且核聚變反應(yīng)堆具有絕對(duì)的安全性。可以說它是一種無污染，無核廢料，資源近乎無限的理想能源。受控核聚變發(fā)電的實(shí)現(xiàn)將從根本上解決人類的能源問題。
這話說起來容易，實(shí)踐起來談何容易，太陽(yáng)是一顆中等質(zhì)量的恒星，質(zhì)量相當(dāng)于地球的N倍，其內(nèi)部可以達(dá)到1500萬度的高溫和N個(gè)大氣壓的高壓，所以能夠產(chǎn)生可持續(xù)的核反應(yīng)。而氫彈，其爆炸機(jī)理干脆就是用原子彈當(dāng)引信，利用原子彈核裂變反應(yīng)產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)核原料產(chǎn)生聚變反應(yīng)。
受控核聚變反可用慣性約束或者磁約束的方式使之發(fā)生可控的、安全的核聚變反應(yīng)，從中獲得的熱量可以轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電能，以替代目前廣為使用的化石能源。
五十年的魔咒？
由于受控核聚變裝置的基本物理原理與太陽(yáng)內(nèi)部核反應(yīng)的機(jī)理相仿，所以這種裝置被形象地稱為“人造太陽(yáng)”。
作為一個(gè)科技愛好者，我聽說過“受控核聚變發(fā)電，永遠(yuǎn)的50年后”的魔咒。這個(gè)魔咒說的是，自20世紀(jì)50年代受控核聚變?cè)硖岢鲆詠恚糠暧忻襟w問到相關(guān)專家何時(shí)才能實(shí)現(xiàn)發(fā)電時(shí)，專家總說50年后，一個(gè)10年又一個(gè)10年過去了，直到20世紀(jì)末答案仍是這樣。
為何會(huì)出現(xiàn)受控核聚變發(fā)電“永遠(yuǎn)的五十年后”魔咒？如何打破這個(gè)魔咒？
帶著這個(gè)問題，我請(qǐng)教了該研究院的院長(zhǎng)劉永。他誠(chéng)懇地說：
的確有這個(gè)問題，受控核聚變太難了
現(xiàn)在各國(guó)已經(jīng)聯(lián)合起來進(jìn)行技術(shù)突破。2007年ITER組織成立。國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國(guó)際科研合作項(xiàng)目之一，規(guī)模僅次于國(guó)際空間站的國(guó)際大科學(xué)工程計(jì)劃。ITER將是世界上第一個(gè)聚變實(shí)驗(yàn)堆，是最終實(shí)現(xiàn)磁約束聚變能商業(yè)化必不可少的關(guān)鍵一步！
ITER是一個(gè)能產(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應(yīng)的超導(dǎo)托卡馬克，體積接近天壇祈年殿的尺寸，高30米，直徑28米，重達(dá)1萬噸。它將用強(qiáng)磁場(chǎng)約束高溫等離子體，最終實(shí)現(xiàn)核聚變能量的穩(wěn)定可控釋放，預(yù)計(jì)在本世界中葉實(shí)現(xiàn)核聚變能發(fā)電，從而造福人類。
中國(guó)作為理事會(huì)“七方”成員之一，與歐盟、印度、日本、韓國(guó)、俄羅斯和美國(guó)共同資助這一項(xiàng)目，承擔(dān)項(xiàng)目工程建設(shè)階段18個(gè)采購(gòu)包的制造任務(wù)。
中國(guó)承擔(dān)的18個(gè)采購(gòu)包，包括了磁體支撐、校正場(chǎng)線圈系統(tǒng)、磁體饋線系統(tǒng)、氣體注入系統(tǒng)、診斷系統(tǒng)等重要組成部分。按計(jì)劃，該項(xiàng)目所需的所有大型部件將于2021年到位。ITER總干事認(rèn)為中國(guó)交付相關(guān)產(chǎn)品“按時(shí)保質(zhì)”，堪稱合作各方的榜樣。
劉永院長(zhǎng)講解核聚變知識(shí)
劉永院長(zhǎng)介紹說，研究過程中會(huì)遇到許多預(yù)想不到的困難，充滿不確定性，但挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存。在遇到預(yù)想不到的困難的同時(shí)，往往也會(huì)出現(xiàn)預(yù)想不到的發(fā)現(xiàn)與進(jìn)展，這也是研究的樂趣所在，現(xiàn)在看來經(jīng)過全世界幾代研究者的不懈努力，看到受控核聚變發(fā)電的前景，
不會(huì)再用50年了，也許再用30年就可以實(shí)現(xiàn)了。
啥是托卡馬克？
從20世紀(jì)40年代末開始，世界各科技強(qiáng)國(guó)就開發(fā)了多種方式，研究核聚變等離子體的約束方法。在這個(gè)過程中，人們對(duì)實(shí)現(xiàn)可控核聚變難度的認(rèn)識(shí)也逐步加深，1954年，蘇聯(lián)庫(kù)爾恰托夫原子能研究所發(fā)明了具有軸對(duì)稱磁場(chǎng)位形的托卡馬克 （Tokamak）裝置。
托卡馬克是指環(huán)形磁約束受控核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，所以中文又稱環(huán)流器，它是由一個(gè)環(huán)形封閉磁場(chǎng)組成的磁籠子，高溫高壓的等離子體就被約束在這個(gè)磁場(chǎng)構(gòu)成的無形籠子里，這個(gè)磁籠的外形很像一個(gè)中空的救生圈，等離子體環(huán)中能產(chǎn)生一個(gè)很大的環(huán)電流。
從20世紀(jì)70年代開始，托卡馬克這種途徑逐漸顯出其獨(dú)特的優(yōu)越性，并在80年代，成為受控核聚變研究的主流途徑。經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的努力，托卡馬克已經(jīng)顯示出光明的前景，等離子體約束獲得明顯效果，溫度達(dá)到上億度。而產(chǎn)生核聚變能量的科學(xué)可行性已經(jīng)被證實(shí)了，但是相關(guān)的成果都是以短脈沖的形式產(chǎn)生的，與實(shí)際反應(yīng)堆連續(xù)運(yùn)行還有很大的距離，而且核聚變反應(yīng)能否實(shí)現(xiàn)氚自持仍然需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如果氚自持的難題一旦被攻克，那么我們離商業(yè)發(fā)電又進(jìn)了一大步。
我問劉永的第二個(gè)問題是，托卡馬克研究進(jìn)展這么慢，原因在于有可能它并不是最優(yōu)的受控核聚變裝置構(gòu)型，也許現(xiàn)在各國(guó)都對(duì)托卡馬克產(chǎn)生了技術(shù)的路徑依賴，而真正適合受控核聚變的技術(shù)構(gòu)型人類還沒有探索出來。
對(duì)此，劉永回答說，的確有這種可能，而且包括中國(guó)在內(nèi)的研究核聚變的主要國(guó)家也的確都在分出一部分精力在研究其他構(gòu)型的核聚變裝置。目前僅次于托卡馬克的裝置叫做仿星器。德國(guó)就用一半的核聚變研究經(jīng)費(fèi)來研究仿星器構(gòu)型，這是一種備選的技術(shù)方案。不過國(guó)際學(xué)術(shù)界公認(rèn)的是，雖然托卡馬克進(jìn)展沒有那么快，但仍是目前最有希望成功的可控核聚變裝置。
追日的夸父——中核人
我國(guó)于上世紀(jì)90年代制定了“熱堆-快堆-聚變堆”三步走的核能發(fā)展戰(zhàn)略。《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》，將磁約束核聚變列為先進(jìn)能源技術(shù)。《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》，將“磁約束核聚變能發(fā)展”列入了戰(zhàn)略性前瞻性重大科學(xué)問題。
我國(guó)核聚變研究始于50年代，開始是原理性和探索性研究。中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院于1965年在四川建立，是我國(guó)最早的聚變研究專業(yè)院所。核西物院作為我國(guó)參與ITER計(jì)劃的主要技術(shù)支撐和研制任務(wù)主要承擔(dān)單位之一，承擔(dān)了我國(guó)ITER采購(gòu)包任務(wù)中絕大部分涉核部件的研發(fā)與加工制造任務(wù)。
從70年代末到80年代初，我國(guó)開始在托卡馬克型裝置上進(jìn)行了重點(diǎn)研究。于1984年在核工業(yè)西南物理研究院建成的中國(guó)環(huán)流器一號(hào)（HL-1）是我國(guó)自主設(shè)計(jì)建造的第一個(gè)聚變大科學(xué)工程裝置，標(biāo)志著我國(guó)受控核聚變研究進(jìn)入大規(guī)模物理實(shí)驗(yàn)階段。
從控制室出來，穿過一個(gè)帶有螺旋形樓梯的小隔間，通過一道門，就是容納“中國(guó)環(huán)流器二號(hào)A(HL-2A)”的“車間”了。
看到這臺(tái)機(jī)器第一感覺是大，第二感覺是多，說它大是因?yàn)樗袃蓪訕悄敲锤撸嫉孛娣e上百平方米。說它多，是因?yàn)楦鞣N管路，線圈，電線，機(jī)柜圍繞在它周圍，充滿了復(fù)雜的技術(shù)細(xì)節(jié)。而就是這臺(tái)機(jī)器，代表了人類馴服太陽(yáng)力量的嘗試。
我早就看過環(huán)流器的圖片，也在電視上看過關(guān)于它的新聞，今天真正站到它面前，可以說近在咫尺，一時(shí)卻無法體會(huì)它的意義，更無從理解它的原理。
從能源史的角度看，面對(duì)它，相當(dāng)于我們面對(duì)猿人升起的第一堆火、工業(yè)革命初期的第一臺(tái)燃煤鍋爐、19世紀(jì)的第一口油井……這種類比恐怕還不恰當(dāng)，可能受控核聚變裝置的科技史意義要更為獨(dú)特。上述能源都是地質(zhì)年代以來貯存在地殼中的，被植物光合作用凝固的太陽(yáng)核聚變能。而環(huán)流器，則希望跨過那些中間環(huán)節(jié)，直奔主題。
給我們講解的小伙子是核西物院的博士生，我們可以把他和他的同事、老師看作是未來的夸父或者普羅米修斯——把恒星之火平安帶到地球的人。
普通人靠近“太陽(yáng)”是什么感受？
我想起赫魯曉夫在回憶錄里寫到他第一次看到蘇聯(lián)運(yùn)載火箭時(shí)的感受，“我們這些人像傻子一樣，這里看看，那里摸摸，差點(diǎn)就用舌頭去舔一舔火箭外殼的味道了”。
此時(shí)，我感覺自己比赫魯曉夫還要無助。
我只能碎片式地接受：有的裝置是探測(cè)核聚變釋放出中子的，有的是測(cè)量磁場(chǎng)的，有的是為核聚變供電的，有的是進(jìn)行磁場(chǎng)控制的。
畢竟受控核聚變不是一個(gè)獨(dú)立的專業(yè)，而是一個(gè)高度綜合的學(xué)科。搞激光的，有搞閥門的，有搞等離子體物理的，有搞材料的，電控的，計(jì)算機(jī)的，等等等等，太多了……沒有任何一個(gè)人能掌握關(guān)于它的所有知識(shí)。而這個(gè)研究院號(hào)稱總師單位，是專門負(fù)責(zé)系統(tǒng)集成的。核聚變研究也是一個(gè)國(guó)家科技實(shí)力，工業(yè)實(shí)力的象征。沒有一定水平，是搞不了這個(gè)的。
我只能零星引用一些它的參數(shù)，供讀者了解中國(guó)環(huán)流器二號(hào)A(HL-2A)的規(guī)模。
首先它的產(chǎn)生的磁場(chǎng)比地磁場(chǎng)強(qiáng)1萬倍。其次，它產(chǎn)生的等離子體威力有多強(qiáng)？他們?cè)?jīng)做過等離子體導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)：直徑10厘米、厚兩厘米的銅圓盤，被等離子體擊中，不到一秒鐘就消失了。并不是被氣化了，而且是銅盤被等離子化了。
另外，上千萬度乃至一億度的等離子體溫度是通過間接方法測(cè)量出來的。因?yàn)闆]有儀器可以測(cè)量這樣的高溫。
普通的燃煤鍋爐運(yùn)行一段時(shí)間后，需要熄火打掃爐膛，清除里面的廢渣。這臺(tái)燃燒核聚變?nèi)剂系摹板仩t”也是這樣。科研人員會(huì)用輝光放電“打掃”真空室內(nèi)部。
溫度那么高的等離子體在運(yùn)行，所有物體固態(tài)物質(zhì)不是都被氣化了嗎？怎么還會(huì)有固體雜質(zhì)呢？其實(shí)等離子體的核心溫度有上千萬度乃至上億度，但是邊緣溫度會(huì)被控制得很低，只有上千度。否則真空腔內(nèi)壁也會(huì)被熔化。
目前內(nèi)壁是碳材料，碳耐高溫，但活性炭也善于吸附雜質(zhì)，所以會(huì)有等離子體與內(nèi)壁作用生成的雜質(zhì)附著在上面，影響實(shí)驗(yàn)精度，需要清除。要知道，一丁點(diǎn)雜質(zhì)就會(huì)產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，使得等離子體形態(tài)與運(yùn)動(dòng)方式發(fā)生劇烈變化，結(jié)果就是高速粒子轟擊到內(nèi)壁，破壞真空腔。
這么復(fù)雜的裝置，一定做過很多次核聚變實(shí)驗(yàn)吧？
是的，聽工作人員講解，從2003年至2019年，該裝置共放電33000次。但每次放電平均時(shí)長(zhǎng)只有兩秒鐘。所以，16年來實(shí)驗(yàn)總時(shí)長(zhǎng)還不到24小時(shí)（86,400秒）。真正的發(fā)電廠可是要24小時(shí)不間斷運(yùn)行的。
參觀時(shí)，該裝置自然沒有運(yùn)行，所以我好奇地問工作人員，裝置運(yùn)行時(shí)的感官體驗(yàn)是什么樣的？
他說，從視覺上來看，只能用攝像頭對(duì)準(zhǔn)真空腔上開的玻璃小窗口，從屏幕上看到里面的情況——紅色的火焰——并不感覺溫度有多高。
至于振動(dòng)？并沒有。但由于實(shí)驗(yàn)時(shí)磁場(chǎng)啟動(dòng)，而且等離子體高速運(yùn)行時(shí)也會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，所以這些金屬設(shè)備里面會(huì)產(chǎn)生渦電流，被這些磁場(chǎng)吸引，金屬會(huì)產(chǎn)生巨大的扭力，但這些力肉眼是看不到的。因此核聚變裝置對(duì)于材料學(xué)的要求是非常高的。
至于聽覺嘛，根本聽不到任何聲音。因?yàn)榈入x子體的密度實(shí)在太低了，無法傳遞人耳可辨別的聲音。
所以讓我們?cè)O(shè)想一下這個(gè)裝置啟動(dòng)時(shí)的樣子：只有一個(gè)小窗透出微弱的閃動(dòng)的紅色火光，四周靜悄悄的，只有電機(jī)的聲音和一些電氣設(shè)備風(fēng)扇的嗡嗡聲。但你若懂它的工作原理，你會(huì)知道所有的金屬都在絞著勁兒，緊繃著，抵抗著巨大的磁力。正是這磁力約束著高溫的、產(chǎn)生核聚變反應(yīng)的等離子體。
把天火永遠(yuǎn)留在大地上
我們只在這里停留半天，匆匆過客。
這個(gè)環(huán)境里蘊(yùn)含的信息量太大，普通人腦是無法在這么短時(shí)間記住這么多東西的。人的思維和體力都有極限。余生也有涯，而知也無涯。但正是這種存在極限的人聯(lián)合起來，可以完成這樣巨大的科學(xué)工程，其復(fù)雜程度超出了任何人類個(gè)體的認(rèn)識(shí)能力。
研究院的科研人員從博士畢業(yè)算起，至少要在這里工作三十年，還不一定看到可控核聚變商用發(fā)電成功的結(jié)果。在中國(guó)環(huán)流器二號(hào)A(HL-2A)面前，我們是小過客，他們是大過客。在已經(jīng)靠核聚變?nèi)紵宋迨畠|年的太陽(yáng)面前，人類更是匆匆過客。
但人類可以代代接力，“子子孫孫無窮匱也”，把天火永遠(yuǎn)留在大地上。
研究院的那些老員工也的確是這樣想，也是這樣做的。他們相信，這是一項(xiàng)對(duì)全人類都有益的事業(yè)，而且科學(xué)研究的過程不斷有新的發(fā)現(xiàn)，充滿樂趣。他們甘愿把自己的韶華拋灑在這個(gè)貌似看不到成功曙光的崇高事業(yè)上。
而對(duì)于研究院的新生代而言，他們則對(duì)未來十分有信心，“如果將來有一盞燈會(huì)被聚變能點(diǎn)亮，相信這盞燈一定、也必須是在中國(guó)！”該院的特聘研究員鐘武律博士這樣說道。
自古以來，試圖靠近太陽(yáng)的人好像結(jié)局都不是很美妙：夸父逐日，最后饑渴而死；伊卡洛斯和代達(dá)羅斯飛向太陽(yáng)，用蠟粘合的翅膀卻被陽(yáng)光熔化，墜海而死。但他們的英名都永傳后世，成為人們追求希望、力圖掌控技術(shù)的象征。
奧斯特洛夫斯基有句名言：“一個(gè)人的一生應(yīng)該這樣度過，當(dāng)他回首往事的時(shí)候，不會(huì)因?yàn)槁德禑o為而羞愧，也不會(huì)因?yàn)樘摱裙怅幎诤蓿@樣，在臨死的時(shí)候，他能夠說，我的整個(gè)生命和全部精力都已獻(xiàn)給世界上最壯麗的事業(yè)——為人類的解放而斗爭(zhēng)。”
為人類尋求永不枯竭的清潔、安全能源，不就是人類的解放而斗爭(zhēng)嗎？這時(shí)我理解了，為什么那些老專家談到可控核聚變的研究事業(yè)是長(zhǎng)跑，是接力跑，而不是短跑。這需要一代又一代有志于此的人接力奮斗。
從這個(gè)意義上來說，雖然目前這些圍繞在人造太陽(yáng)周圍的科學(xué)家仍默默無聞，有的還奉獻(xiàn)了全部青春，但是當(dāng)人造太陽(yáng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的那一刻，他們的英名將永遠(yuǎn)載入科技?xì)v史的殿堂中，與夸父和代達(dá)羅斯并列。
最后，我還想到，這個(gè)裝置核能如何體現(xiàn)絲綢之路精神？?jī)H是這個(gè)研究院，每年都有100多人次赴美、日、歐進(jìn)行學(xué)術(shù)交流。該院的學(xué)術(shù)水平，已經(jīng)從在國(guó)際上跟跑、并跑，逐漸向領(lǐng)跑過渡，在某些方面已經(jīng)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先地位。顯然，沒有國(guó)際合作、單靠一個(gè)國(guó)家單打獨(dú)斗，形不成合力，受控核聚變發(fā)電的實(shí)現(xiàn)還要推遲很多年。只有秉承“開放包容、互學(xué)互鑒”的絲路精神，這一天才能早日到來。
【責(zé)任編輯：宋詞】
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