可控核聚變裝置俗稱“人造太陽(yáng)”，是照亮人類未來(lái)的終極能源夢(mèng)想。近日，我國(guó)傳來(lái)好消息：由中核集團(tuán)牽頭的中法聯(lián)合體為“人造太陽(yáng)”核心設(shè)備安裝工作全面開展創(chuàng)造了有利條件——這是中國(guó)向核能高端市場(chǎng)邁出的實(shí)質(zhì)性步伐，將為我國(guó)深度參與聚變國(guó)際合作、自主設(shè)計(jì)建造未來(lái)中國(guó)聚變堆奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
近日，位于法國(guó)的世界上最大的核聚變反應(yīng)堆——國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）項(xiàng)目迎來(lái)了重要里程碑時(shí)刻，施工人員開始安裝反應(yīng)堆托卡馬克的首個(gè)主要部件。此前，由中核集團(tuán)牽頭的中法聯(lián)合體按期開展了相關(guān)安裝底座——杜瓦底座的接收及吊裝準(zhǔn)備工作，為核心設(shè)備安裝工作全面開展創(chuàng)造了有利條件。這是中國(guó)向核能高端市場(chǎng)邁出的實(shí)質(zhì)性步伐，將為我國(guó)深度參與聚變國(guó)際合作、自主設(shè)計(jì)建造未來(lái)中國(guó)聚變堆奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
從“靠太陽(yáng)”到“造太陽(yáng)”
可控核聚變裝置俗稱“人造太陽(yáng)”，是全球核聚變?nèi)艘淮恿Ρ寂埽铝τ谡樟寥祟愇磥?lái)的終極能源夢(mèng)想。伴隨全球人口增長(zhǎng)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展，能源需求將持續(xù)增長(zhǎng)。然而，地球化石燃料的儲(chǔ)量有限，尋找未來(lái)能源成為當(dāng)務(wù)之急。
萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)，無(wú)論是傳統(tǒng)的化石能源，還是風(fēng)能、生物能等新型能源，其本質(zhì)都是太陽(yáng)能。而太陽(yáng)的能量，科學(xué)家們?cè)缫烟矫骶烤梗簛?lái)自其內(nèi)部的核聚變反應(yīng)。
那么，我們是否可以模擬太陽(yáng)產(chǎn)生能量的原理，研發(fā)可控核聚變技術(shù)，從而制造“太陽(yáng)”呢？
專家的回答是肯定的：不僅可以，而且是必須。
“可控核聚變是目前人類認(rèn)識(shí)到的，可以最終解決人類社會(huì)能源與環(huán)境問題、推動(dòng)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。”中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院院長(zhǎng)段旭如表示。
從必要性來(lái)說(shuō)，化石能源不可再生且有污染，風(fēng)能、水能不穩(wěn)定，核裂變能原料有限、核廢料有放射性污染，因此，需要尋找資源豐富、清潔高效的新能源——目前，最有可能擔(dān)當(dāng)這一角色的只有可控核聚變能。而且，可控核聚變不排放有害氣體，有利于解決當(dāng)前的環(huán)境污染問題。
從可行性來(lái)說(shuō)，核聚變的原料是氫的同位素（氘和氚），地球上含量極為豐富。“氘在海水中儲(chǔ)量極大，1公升海水里提取出的氘，在完全聚變反應(yīng)后，可釋放相當(dāng)于燃燒300公升汽油的能量。”段旭如說(shuō)。
一字之差的困難
從核裂變到核聚變，從不可控到可控——僅一字之差，但技術(shù)難度差別太大了。“世界上首顆原子彈爆炸后不到10年，核裂變技術(shù)就實(shí)現(xiàn)了和平利用，建成了核電站。”中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院特聘研究員鐘武律說(shuō)，因此，許多人曾樂觀地認(rèn)為，用不了多久就能實(shí)現(xiàn)核聚變的和平利用——然而，經(jīng)過(guò)全世界科學(xué)家超過(guò)半個(gè)世紀(jì)的努力，至今仍未成功。
鐘武律做了一個(gè)簡(jiǎn)單比較。太陽(yáng)能穩(wěn)定核聚變，是因其內(nèi)部不僅有1500萬(wàn)攝氏度以上的高溫，且約有3000億個(gè)大氣壓的超高氣壓。而地球上無(wú)法達(dá)到如此高的氣壓，只能在高溫上下功夫了，需要把溫度提高到上億攝氏度才行。“先不說(shuō)如何產(chǎn)生這么高的溫度，就算產(chǎn)生了，也找不到容器‘盛放’它。”鐘武律說(shuō)，地球上最耐高溫的金屬材料鎢在3000多攝氏度就會(huì)熔化。
不過(guò)，人類不會(huì)被困難嚇倒。20世紀(jì)50年代開始，科學(xué)家們就經(jīng)歷了一系列磁約束技術(shù)路線的探索，到上世紀(jì)60年代，前蘇聯(lián)科學(xué)家提出托卡馬克方案，效果驚人，備受關(guān)注。托卡馬克，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)是一種利用磁約束來(lái)實(shí)現(xiàn)受控核聚變的環(huán)形容器。它的中央是一個(gè)環(huán)形真空，外面圍繞著線圈。通電時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生巨大螺旋形磁場(chǎng)，將其中的等離子體加熱到很高溫度，以達(dá)到核聚變目的。
“核聚變能是清潔安全的，但仍需科學(xué)普及。”段旭如表示，就聚變堆而言，燃燒等離子體被約束在真空室內(nèi)，且所含聚變堆中的氘氚燃料含量低，不會(huì)爆炸，也不會(huì)導(dǎo)致泄漏，幾乎沒有放射性污染。
勇?lián)厝蔚闹袊?guó)核電人
我國(guó)可控聚變研究始自上世紀(jì)50年代，幾乎與國(guó)際上聚變研究同步。
1965年，根據(jù)建設(shè)需要，我國(guó)建立了當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)最大的聚變研究基地——西南物理研究所，也就是中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院的前身。
正是在這里，中國(guó)核聚變領(lǐng)域第一座大科學(xué)裝置——中國(guó)環(huán)流器一號(hào)（HL－1）托卡馬克裝置于1984年建成，成為我國(guó)核聚變研究史上的一個(gè)重要里程碑。它的成功建造與運(yùn)行為我國(guó)自主設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行核聚變實(shí)驗(yàn)研究裝置積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)了我國(guó)第一批核聚變工程技術(shù)及實(shí)驗(yàn)運(yùn)行人才隊(duì)伍，為我國(guó)發(fā)展更高參數(shù)的磁約束聚變大科學(xué)裝置奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
從此，中國(guó)磁約束聚變一步步從無(wú)到有，從小到大。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……
預(yù)計(jì)今年在四川成都投入運(yùn)行的“中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M”裝置，將成為我國(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。它可將我國(guó)現(xiàn)有裝置的最高等離子體電流從1兆安培提高到3兆安培，離子溫度也將達(dá)到1億攝氏度以上。
人類的共同目標(biāo)
正如太陽(yáng)造福于整個(gè)地球，“人造太陽(yáng)”的研制，將為人類帶來(lái)巨大福祉。但其技術(shù)挑戰(zhàn)大，研發(fā)困難重重，因此需集全球之力共同來(lái)攻克。
基于此，國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃2006年應(yīng)運(yùn)而生，由中國(guó)、美國(guó)、歐盟、俄羅斯、日本、韓國(guó)和印度7方參與，計(jì)劃在法國(guó)普羅旺斯地區(qū)共同建造一個(gè)電站規(guī)模的聚變反應(yīng)堆，也即世界上最大的托卡馬克裝置。ITER是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國(guó)際科技合作項(xiàng)目之一，凝聚了國(guó)際聚變界多年來(lái)的研究成果以及國(guó)際聚變界的技術(shù)力量。
“該項(xiàng)目也是中國(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)了約9%的采購(gòu)包研發(fā)任務(wù)。”段旭如表示：“簽署這個(gè)計(jì)劃，正是希望集中全球科技力量，共同攻克難題。”
“這些年來(lái)，我國(guó)磁約束聚變研究進(jìn)展得益于參加ITER計(jì)劃。”段旭如說(shuō)，利用這一良好國(guó)際合作平臺(tái)，在國(guó)家有關(guān)部委的大力支持下，我國(guó)核聚變研究實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量發(fā)展，磁約束核聚變研究從過(guò)去的跟跑步入了并跑階段，部分技術(shù)達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。
中國(guó)的積極參與也推動(dòng)了ITER計(jì)劃的快速發(fā)展。鐘武律表示，參加ITER計(jì)劃以來(lái)，中國(guó)積極參與建設(shè)，承擔(dān)著諸多核心部件研發(fā)制造（采購(gòu)包）任務(wù)。“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，均處于7方的前列，為ITER建設(shè)貢獻(xiàn)了中國(guó)力量與智慧。在國(guó)際聚變舞臺(tái)上，中國(guó)有了更大的話語(yǔ)權(quán)。”
除了承擔(dān)中方承諾的任務(wù)外，中方還積極爭(zhēng)取ITER其他關(guān)鍵任務(wù)。去年9月，中核集團(tuán)牽頭拿下了ITER迄今金額最大的主機(jī)總裝1號(hào)合同。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。
“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)余劍鋒表示。
“從ITER計(jì)劃的進(jìn)展以及國(guó)際核聚變發(fā)展進(jìn)程看，我們有信心到本世紀(jì)中葉實(shí)現(xiàn)可控的核聚變發(fā)電。”段旭如充滿信心。
