人類有望10年內(nèi)實現(xiàn)核聚變?“人造太陽”背后，終極能源夢想有多難

　　4月12日21時，有中國“人造太陽”之稱的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置(EAST,中文名“東方超環(huán)”)創(chuàng)造新的世界紀(jì)錄，成功實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式等離子體運(yùn)行403秒。

　　為什么403秒會成為一個里程碑?“人造太陽”所要實現(xiàn)的可控核聚變，對人類社會意味著什么?我們距離這一終極能源夢想還有多遠(yuǎn)?作為EAST牽頭人、國際熱核聚變實驗堆(ITER)理事會理事，中國工程院院士、合肥國家科學(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。他畢生的夢想，就是要在有生之年，看到有一盞燈被核聚變點亮。讓我們一起跟隨他的講述，走近一群“種太陽”的人。

　　——編者

▲4月12日21時，EAST實驗現(xiàn)場

　　在電影《流浪地球2》中，有一種幫助地球遠(yuǎn)航的行星發(fā)動機(jī)，它所用的能量就來自可控核聚變?，F(xiàn)實中，雖然像電影中那樣的重核元素可控核聚變還難以實現(xiàn)，但是對于氫的可控核聚變研究，人類已經(jīng)走過了半個多世紀(jì)的征程。

　　在實現(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題的途徑。利用磁約束實現(xiàn)可控核聚變的裝置叫做“托卡馬克”，因為酷似太陽燃燒的機(jī)制，也因為被寄托了未來能源的美好愿景，人們更愿意將托卡馬克稱為“人造太陽”。

　　未來的終極能源為何是它?

　　零排放、可無限利用、永遠(yuǎn)安全

　　人類的發(fā)展史一直伴隨著能源的消耗，但我們對能源消耗的速度并不是恒定的。過去一兩百年，世界人口急劇增加，人類的能源消費(fèi)急劇增長?，F(xiàn)在，地球上70多億人口主要還是依賴石油、煤等化石能源。

　　未來，人類需要繼續(xù)發(fā)展，能源消耗還將更大，地球現(xiàn)有的化石能源將會很快消耗殆盡。這個時間窗口，只有100年到300年的時間。當(dāng)化石能源耗盡之后，我們要去哪里尋找穩(wěn)定的能量來源?

　　愛因斯坦的質(zhì)能方程E=mc2告訴我們，哪怕只有一點點質(zhì)量，只要引發(fā)原子核級別的反應(yīng)，瞬間就能釋放出巨大能量。因為盡管質(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。

▲核聚變原理示意圖

　　說起核反應(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提供了大于10%的電力，但它有兩個重大缺陷：其一，地球上的鈾、釷、钚，儲量都不多，即使全部利用，千年左右就會用完;其二，核裂變時產(chǎn)生的各種射線會對人體產(chǎn)生傷害，放射性物質(zhì)會對周圍環(huán)境造成放射性污染，比如美國三里島事故、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100萬年才會發(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，但要停下來很容易。而它的產(chǎn)物只有氦氣和中子——氦氣本來就是干凈的，而中子我們用水就可以將其吸收，其能量會讓水變成蒸氣，用來發(fā)電。所以，核聚變設(shè)施不釋放二氧化碳，也沒有長壽命放射性元素，可以建在城市中心。

　　核聚變的另一個優(yōu)勢是資源無限。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40萬噸氘——可供人類使用100億年，比太陽和地球的壽命都長。而且，核聚變電站對資源的消耗非常低，功率密度又很高。一個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100萬千瓦的煤電站一年要燒200萬噸煤，一個裂變電站一年需要30噸鈾。

　　所以，國際能源署在上個世紀(jì)組織3000名科學(xué)家討論了3年，最終得出結(jié)論，人類未來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、沒有任何排放的、安全的、可以無限利用的能源。

　　可控核聚變?yōu)槭裁催@么難?

　　它無處不在挑戰(zhàn)人類科技極限

　　既然核聚變這么有優(yōu)勢，為什么不早點把它研發(fā)出來?原因在于，要實現(xiàn)可控核聚變，必須跨越非常高的門檻，條件非?？量?。

　　1958年，英國牛津大學(xué)一位剛畢業(yè)的博士勞遜，用了兩年時間給出了“勞遜判據(jù)”：核聚變實現(xiàn)點火，必須要滿足“粒子密度n、溫度T、約束時間τE，三者乘積大于1021”。即溫度要達(dá)到上億攝氏度、約束時間至少要大于一秒，還要有足夠多的粒子。當(dāng)時，人類能達(dá)到的最好成績是1011，理想和現(xiàn)實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，一直朝著這個目標(biāo)努力了65年。

　　去年，美國科學(xué)家激光點火成功，這成為人類科學(xué)史上一個重大事件。他們在相當(dāng)于三個足球場這么大的空間里，用192路激光，在不到10納秒的時間內(nèi)，打到只有胡椒粒大小的靶丸上，實現(xiàn)了可控核聚變點火。美國能源部表示，這是他們在70年科學(xué)歷程中“最偉大的突破之一”。

　　實現(xiàn)可控核聚變的另一大難題是約束聚變粒子。我們最常見的聚變體是太陽，因為它的質(zhì)量特別大，靠萬有引力就可以把所有的帶電離子約束住，約束時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一秒，所以它在1500萬℃就可以發(fā)生聚變。

　　還有什么約束辦法嗎?因為聚變需要上億度高溫，不能用任何容器盛裝，所以人類想到用強(qiáng)磁場把帶電粒子懸浮起來，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，電子會飛離原子核，這就是等離子體。如果加上磁場，所有帶電粒子都會圍繞磁力線運(yùn)動——有了磁場，粒子就被約束住了，磁場越強(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“容器”，里面的磁場強(qiáng)度相當(dāng)于地球磁場的一萬倍，能讓粒子在其中懸浮、旋轉(zhuǎn)。

　　其實，科幻電影《鋼鐵俠》里就出現(xiàn)過托卡馬克，那是一個磁籠子，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》中提到用一萬個重核聚變發(fā)動機(jī)推著地球去另一個星球，用的也是托卡馬克裝置。

　　現(xiàn)實中，我國很早就開始著手研制托卡馬克。1958年，蘇聯(lián)在一次國際大會上公布托卡馬克的原理后，我國就在四川樂山建立了國內(nèi)最大的磁約束聚變基地——中國核工業(yè)西南物理研究院。項目最早由李正武院士提出，潘垣院士作為當(dāng)時的總工程師負(fù)責(zé)實施。

　　這個中國最早的磁約束聚變基地就在距離樂山大佛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)時做出來的實驗裝置。

　　在安徽合肥科學(xué)島上，從1973年開始，中國科學(xué)院也同時開展了托卡馬克的研究。1989年，蘇聯(lián)已著手開發(fā)第二代托卡馬克，有意把第一代裝置T-7送給其他國家。時任中科院等離子體物理研究所所長的中科院院士霍裕平，做了一個對我國核聚變發(fā)展非常重要的決定，將已停機(jī)的T-7引入國內(nèi)進(jìn)行改造。

　　我們用兩年多的時間將它拆解、改造，建成了中國第一個超導(dǎo)托卡馬克HT-7。在這個新裝置上，我們實現(xiàn)了優(yōu)于其他國家的實驗成績。最重要的是，培養(yǎng)了一批包括我在內(nèi)的科學(xué)家。

　　后來，我國的磁約束做到了60秒、1000萬℃，這個成果入選了2003年度中國十大科技進(jìn)展新聞。但要真正實現(xiàn)核聚變，除了需要點火達(dá)到上億攝氏度的高溫，還需要長時間維持。去年美國實現(xiàn)的激光點火是慣性約束，能量要先轉(zhuǎn)換成激光。對磁約束而言，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)托卡馬克核聚變實驗裝置——東方超環(huán)(EAST)。

▲全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置(EAST)

　　一旦說起超導(dǎo)，所有的問題變得既簡單又復(fù)雜。說它簡單，因為消耗功率大幅減少，意味著以后聚變發(fā)電，只需一點點能量就可以點火。說它難，主要有三個問題：首先，超導(dǎo)需要4K(-269℃)的低溫，而實現(xiàn)聚變的溫度是上億攝氏度，怎么把這兩個溫度放在一起?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時間連續(xù)運(yùn)行。

　　所以，實際上，實現(xiàn)全超導(dǎo)托卡馬克核聚變比登天還難。我們需要產(chǎn)生一個上億攝氏度高溫的“甜甜圈”，還要把它放在一個-269℃的低溫容器中，再把它磁懸浮起來，這就是超導(dǎo)托卡馬克，也就是所謂的“人造太陽”。

▲EAST主要部件示意圖

　　這的確挑戰(zhàn)了人類科學(xué)和技術(shù)的極限。2000年10月，EAST項目正式開工。2006年9月26日，EAST成功獲得等離子體，達(dá)到了500萬℃，持續(xù)時間大約不到一秒。但這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。去年，EAST創(chuàng)造新的世界紀(jì)錄，成功實現(xiàn)可重復(fù)的1.2億℃、100秒等離子體運(yùn)行，隨后又實現(xiàn)了1056秒、7000萬℃。這個溫度比太陽中心還高6倍，可見光已經(jīng)幾乎沒有。在長時間維持方面，中國已走到世界前列，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”何時“亮燈”?

　　人類有望10年內(nèi)實現(xiàn)核聚變

　　未來用核聚變來發(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。

　　目前還有幾個比較困難的問題。比如等離子體的加熱。平時，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)動總功率高達(dá)30兆瓦，這幾乎是人類現(xiàn)有技術(shù)的極限。只有多個極限技術(shù)共同作用，才有可能實現(xiàn)聚變點火并維持下去。經(jīng)過幾代人奮斗，現(xiàn)在EAST所用的技術(shù)基本已實現(xiàn)百分百國產(chǎn)化。

　　另一個難點是長時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)動機(jī)100倍。

　　為推動托卡馬克發(fā)展，國際上從1985年開始倡議國際熱核聚變實驗堆計劃ITER，2001年完成工程設(shè)計。2003年1月，國務(wù)院批準(zhǔn)我國參加ITER計劃談判。2006年5月，中國正式加入ITER。

　　加入ITER，可以以10%的貢獻(xiàn)獲取100%知識產(chǎn)權(quán)，實現(xiàn)彎道超越，還可帶動國內(nèi)聚變產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。通過深度參與ITER，國內(nèi)一大批企業(yè)迅速發(fā)展，初步建立起了未來中國聚變工業(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，核聚變在國際上已經(jīng)成為一個競爭白熱化的領(lǐng)域。人類對能源的需求從沒有像現(xiàn)在這么緊迫。站在現(xiàn)在回望過去，前60年還是以基礎(chǔ)研究為主，現(xiàn)在應(yīng)該到了一個轉(zhuǎn)折點，即從基礎(chǔ)研究到工程研究到商業(yè)化，這個進(jìn)程要加快。我國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)實驗堆(BEST)、工程示范堆(CFEDR)、商用堆。

▲聚變堆主機(jī)實驗裝置園區(qū)效果圖

　　我最大的夢想就是在我的有生之年，能看到聚變點燃一盞燈。曾經(jīng)，我覺得這些事還很遙遠(yuǎn)，但是現(xiàn)在我發(fā)現(xiàn)有可能。因為新的時代、新的機(jī)遇，給我們提供了一個非常好的展現(xiàn)的舞臺。我相信，我們有望用不到10年的時間實現(xiàn)聚變，在我有生之年一定能看到有一盞燈被聚變點亮。當(dāng)然，僅僅點亮一盞燈還不夠，我們還要做100萬千瓦的中國聚變工程示范堆，讓清潔安全的聚變能，點亮人類未來的希望。

　　可控核聚變彰顯人類命運(yùn)與共

　　可控核聚變技術(shù)不僅是人類先進(jìn)技術(shù)的搖籃，更重要的意義在于，它能真正體現(xiàn)人類命運(yùn)與共。推動托卡馬克的發(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，合作和交流從來沒有中斷。現(xiàn)在，每年都有成百上千人次的美國科學(xué)家到中國來開會、交流。2022年，美國的托卡馬克裝置分配兩周時間給中國科學(xué)家做實驗，中國的設(shè)備也有三周給他們做實驗。之所以如此，是因為實現(xiàn)核聚變是人類共同的夢想。如果未來能源問題被解決，可控核聚變實現(xiàn)了，世界就會變得更加和平。

　　眼下，碳中和已成為關(guān)系人類未來發(fā)展的一個重要課題。聚變能源是沒有二氧化碳排放的。如果人類能夠很快實現(xiàn)核聚變，盡快開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個聚變電站，減排二氧化碳85億噸。

　　聚變堆實現(xiàn)商用化后，電力會非常便宜。因為一個聚變電站一年僅用150公斤重水，而重水的成本僅為每噸1500萬元。一個千萬人口的大城市，只需10個這樣的電站就夠了，用電成本真的可以變成白菜價。

　　人類之所以成為人類，就是因為我們內(nèi)心深處都有一份善良美好的愿望，都樂于助人。技術(shù)本身不會加大貧富差距，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)的國家和地區(qū)。

　　來源：文匯報 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)表時有刪節(jié))