人造太陽：向人類終極能源邁進(jìn)

 

【導(dǎo)語】“可上九天攬月，可下五洋捉鱉，談笑凱歌還。”這是一種豪情與詩意，也是當(dāng)今中國正創(chuàng)造的奇跡。中國人對未知的好奇、對探索的渴望、對困境的思考以及對美好未來的期待，推開了一扇扇嶄新世界的大門：空間探測、生物醫(yī)藥、人工智能、量子科學(xué)……中國科技創(chuàng)新的步伐從未停止。正如習(xí)近平總書記所說，一切偉大成就都是持續(xù)奮斗的結(jié)果，一切偉大事業(yè)都需要在繼往開來中推進(jìn)。新時代必將是大有可為的時代。

 

俗話說，萬物生長靠太陽。在太陽內(nèi)部無時無刻不在發(fā)生著核聚變，為大自然帶來最普遍的能量來源。所謂“人造太陽”，并不是我們習(xí)慣意義上宇宙當(dāng)中的那個太陽，而是指利用太陽發(fā)光發(fā)熱的原理——核聚變反應(yīng)，在地球上建造一套核聚變裝置，像太陽一樣發(fā)生核聚變反應(yīng)，從而源源不斷地產(chǎn)生能量。

 

多年以來，模擬太陽聚變反應(yīng)原理再造一個“太陽”，被公認(rèn)為是解決人類能源危機的最佳方案，有望一勞永逸地解決人類面臨的能源短缺問題。令人興奮的是，中國在利用受控核聚變技術(shù)建設(shè)“人造太陽”方面已經(jīng)走在世界前列。曾經(jīng)兒歌里唱的“種太陽”，正在一點點變成現(xiàn)實。

 

 

2021年4月13日拍攝的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）。（圖源：新華社）

 

點燃“人造太陽”的曙光

 

太陽是距離人類最近的恒星，實際上就是一個超級核聚變反應(yīng)堆，其內(nèi)部每秒就有6億噸氫通過聚變反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氦，在這個過程中大約有420萬噸的凈能量釋放到宇宙中，相當(dāng)于3.78×10^26焦耳的能量。地球僅從中獲得了22億分之一1.72×10^17焦耳，相當(dāng)于每秒約19公斤的凈能量釋放，就造就了宜居的地球生態(tài)系統(tǒng)，可見核聚變能源之強大。

 

 

2018年8月29日，科研人員在進(jìn)行EAST裝置內(nèi)部檢查。（圖源：新華社）

 

“人造太陽”重要性體現(xiàn)在哪里?這要從核聚變能的優(yōu)點說起。核能包含核裂變能和核聚變能兩種主要形式。相較于在核電站中成熟應(yīng)用的核裂變，核聚變沒有放射性。支持核聚變的原料是氘和氚，反應(yīng)的生成物是氦氣，對環(huán)境無害，一旦造成反應(yīng)的等離子體熄滅，聚變反應(yīng)會終止。核聚變的原料儲量也很豐富，氘可以直接在海水中提取，氚則可以通過中子和鋰反應(yīng)產(chǎn)生。據(jù)估算，一升海水中提煉出來的氘經(jīng)過核聚變反應(yīng)釋放出的能量相當(dāng)于300升汽油完全燃燒釋放的能量。核聚變能憑借資源無限、清潔環(huán)保，不產(chǎn)生高放射性核廢料等優(yōu)點，是目前認(rèn)識到的、可以最終解決全球能源問題的重要途徑之一。一旦人類掌握了核聚變能，將擁有可使用上百億年的清潔能源。

 

不過要讓核聚變成為能量來源，現(xiàn)實操作并不容易。從20世紀(jì)50年代開始，中國與國際基本同步開始了在可控核聚變領(lǐng)域的研究。20世紀(jì)90年代初期，中國用價值400萬人民幣的羽絨服、牛仔褲、瓷器等生活物資，換來了蘇聯(lián)價值1800萬盧布的T-7的半超導(dǎo)托卡馬克裝置。經(jīng)過科研人員的不懈努力，1994年12月，由T-7改造成的超導(dǎo)托卡馬克裝置HT-7首次獲得等離子體，成為中國第一個超導(dǎo)托卡馬克，也使中國成為繼俄、法、日之后第四個擁有超導(dǎo)托卡馬克裝置的國家。

 

中國有兩個“人造太陽”

 

 

2020年7月19日，中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院的工作人員在安裝調(diào)試中國環(huán)流器二號M裝置（HL-2M）時進(jìn)行環(huán)向場線圈外弧段吊裝工作。（圖源：新華社）

 

盡管可控核聚變技術(shù)和托卡馬克裝置最早起源于國外，但中國已經(jīng)實現(xiàn)了后來者居上，處于國際領(lǐng)先地位。如今，中國不僅有“人造太陽”，而且有兩個：一個在安徽合肥西郊“科學(xué)島”上的中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院內(nèi)，是有著“東方超環(huán)”之稱的世界第一臺全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置(EAST);另一個則是位于四川成都中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院的中國環(huán)流器二號M裝置(HL-2M)。

 

2016年2月，EAST就實現(xiàn)了電子溫度達(dá)到5000萬攝氏度持續(xù)時間最長的等離子體放電;2021年5月28日，EAST創(chuàng)造了可重復(fù)的1.2億攝氏度的高溫，并且持續(xù)了101秒，同時還實現(xiàn)了1.6億攝氏度持續(xù)20秒的運行。2021年12月30日，EAST又實現(xiàn)了7000萬攝氏度高溫下1056秒的長脈沖高參數(shù)等離子體運行，打破了自己保持的世界紀(jì)錄，標(biāo)志著中國在可控核聚變研究上處于世界領(lǐng)先水平。

 

 

“人造太陽”1.2億攝氏度成功“燃燒”100秒時，內(nèi)部的紅外影像。（圖源：中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所）

 

在研制EAST過程中，許多關(guān)鍵技術(shù)取得突破并達(dá)到國際先進(jìn)水平，同時也填補了多項國內(nèi)空白：大型超導(dǎo)磁體關(guān)鍵制造技術(shù)的研發(fā)，成功地生產(chǎn)出了EAST所需的全部超導(dǎo)磁體;創(chuàng)造性地設(shè)計、建成了國內(nèi)最大的大型超導(dǎo)磁體測試實驗系統(tǒng);創(chuàng)新性地設(shè)計、建造了我國最大的氦低溫系統(tǒng)……

 

更重要的是，依托這些科學(xué)裝置，中國科研人員還參加了目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國際科研合作項目之一——國際熱核聚變實驗堆計劃(ITER)。這是全球最大的實驗性托卡馬克核聚變反應(yīng)堆裝置，集成了當(dāng)今國際上受控磁約束核聚變的主要科學(xué)和技術(shù)成果，是人類受控核聚變研究走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵一步。包含中國在內(nèi)的多個國家參與了這個國家大科學(xué)項目，舉多國合力向受控聚變實驗堆邁進(jìn)。此外，我國還有在建的中國聚變工程實驗堆 (CEFTR)，預(yù)計將在2050年建設(shè)成為可控核聚變商業(yè)示范堆。

 

“人造太陽”未來已然可期

 

 

2021年5月28日拍攝的的EAST控制大廳。（圖源：新華社）

 

大科學(xué)裝置集高精尖技術(shù)于一身，其承載的意義早已不止追求科學(xué)目標(biāo)本身。在“人造太陽”這座大科學(xué)裝置的牽引下，衍生出了一系列重要的創(chuàng)新成果，形成了超導(dǎo)技術(shù)、低溫技術(shù)、等離子體技術(shù)、生物技術(shù)、材料技術(shù)、機器人技術(shù)等多個產(chǎn)業(yè)技術(shù)板塊，推動一大批高新技術(shù)成果實現(xiàn)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化。

 

比如，質(zhì)子和重離子放療是目前國際公認(rèn)最尖端的放射治療技術(shù)，一直被發(fā)達(dá)國家所壟斷。等離子體所利用大科學(xué)裝置的超導(dǎo)技術(shù)，積極研制國內(nèi)首套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的醫(yī)用超導(dǎo)質(zhì)子癌癥治療系統(tǒng)，將大幅降低患者治療費用。

 

此外，等離子體還能治療皮膚病，有廣譜抗菌、加速凝血、促進(jìn)細(xì)胞增殖、無耐藥性及副作用等優(yōu)點;等離子體所將大科學(xué)裝置離子束技術(shù)引入生物學(xué)科，致力于微生物新菌種的創(chuàng)制、發(fā)酵調(diào)控、產(chǎn)物分離分析及終端產(chǎn)品的研究和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化。

 

據(jù)介紹，中國的核聚變研究與國際基本同步，甚至在聚變某些技術(shù)領(lǐng)域確立了領(lǐng)跑地位，在超導(dǎo)、穩(wěn)態(tài)控制、加熱等方面鞏固了中國特色。有國外期刊稱贊“中國創(chuàng)造了聚變歷史”“在這里科學(xué)價值得到極大體現(xiàn)”。

 

回望人類認(rèn)識核聚變這一路，中國從未落后、從未停滯、不斷超越，已經(jīng)走到國際研究的最前沿。未來，可控核聚變終將成為現(xiàn)實，到那時，我們將擁有取之不盡、用之不竭、清潔安全的能源。(資料來源：中國科學(xué)院、央視新聞、人民日報、新華日報、科技日報)