中國成為核聚變能開發(fā)領(lǐng)跑者 打造首個人造太陽

我國成為核聚變能開發(fā)“領(lǐng)跑者”

科學家盼望核聚變能點亮的第一盞燈在中國

核聚變能由于資源豐富和無污染，被科學界認為是最有希望徹底解決能源和環(huán)境問題的根本出路之一。中科院專家指出，我國自21世紀初正式參加國際熱核實驗堆ITER計劃后，經(jīng)過十多年的努力，核聚變科研能力、重要部件制造工藝能力、工程建造能力、大科學工程管理能力等均已達到國際先進水平，具備建設(shè)自主產(chǎn)權(quán)聚變工程實驗堆的能力。

在開發(fā)核聚變能被人們形象地稱為“人造太陽”的路上，中國已從“追趕者”、“并跑者”，成長為具備強大國際輸出能力的“領(lǐng)跑者”。科學家們數(shù)十年艱辛“逐日”，就是盼望核聚變能點亮的第一盞燈在中國。

核聚變能：清潔無限的能源希望

煤炭、天然氣、石油等化石能源最終將會枯竭，人類未來的命運聚焦在尋找更加持久的清潔能源上，核能成為人們寄予厚望的未來能源之一。核能分為核裂變能與核聚變能，前者已經(jīng)被人類利用發(fā)電，但核裂變堆多采用鈾、銫等放射性物質(zhì)作為燃料，這些物質(zhì)蘊藏有限，還會產(chǎn)生強大的輻射，放射性核廢料的處理也是難題。核聚變能與太陽產(chǎn)生能量的方式相同，都是由原子核聚變放出巨大能量。在地球上，人類也早已實現(xiàn)了核聚變——氫彈爆炸。但氫彈是一種武器，爆炸時會在極短的時間內(nèi)釋放出極大的能量，從而在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生毀滅性的后果。

如果氫彈的爆炸過程被人為地大大減緩，如果爆炸產(chǎn)生的能量被緩慢而穩(wěn)定地輸出，轉(zhuǎn)化為電能，那氫彈就不再是屠戮生靈的武器，而成了澤被百姓的一個能源庫——人造太陽。

因此，人造太陽又被稱為“可控熱核聚變”。科學家們介紹，它的特點是產(chǎn)生過程中輻射可忽略不計，從儲量豐富的海水中提煉氫的同位素氘、氚作為燃料，不會帶來污染物。

據(jù)預測，每一升海水中所蘊含的氘如果提取出來，發(fā)生完全的聚變反應，能釋放相當于300升汽油燃燒時釋放的能量。以此推算，根據(jù)目前世界能源消耗水平和海水存量，核聚變能可供人類使用數(shù)億年。

與國際空間站研究、歐洲加速器、人類基因組測序研究等項目一樣，該領(lǐng)域的研究也是一個國際科技合作項目。美、法等國在20世紀80年代中期發(fā)起了國際熱核聚變實驗反應堆(ITER)計劃，旨在建立世界上第一個受控熱核聚變實驗反應堆，為人類輸送巨大的清潔能量。中國于2003年加入ITER計劃，成為七方成員之一，承接整個計劃9%左右的采購包任務，并享受全部知識產(chǎn)權(quán)。位于安徽合肥的中科院等離子體所是這個國際科技合作計劃的國內(nèi)主要承擔單位。

我國已具研發(fā)和建設(shè)自主核聚變工程實驗堆能力

“當中國宣稱要用2000萬美元建造全超導核聚變實驗裝置，國際學界沒有人相信。”中國工程院院士李建剛想起十多年前依然記憶猶新。

1998年中國科學院等離子體研究所成立EAST團隊，目標是建設(shè)世界首個全超導核聚變實驗裝置EAST，它的中文名字“東方超環(huán)”寄予著中國科學界的巨大期望。為此，中科院等離子體所成立了12個研究室，兩個技術(shù)支撐中心，攻克裝置建設(shè)過程中的一個個攔路虎。

“是一種精神、一種事業(yè)的快樂，支撐起了這些人。”李建剛說：“這個項目如果沒做好，我們覺得愧對整個國家，愧對整個社會。”

2006年9月，中國自主設(shè)計建造的世界首個全超導非圓截面核聚變實驗裝置EAST建成，并完成了首次成功放電，獲得電流200千安、時間接近3秒的高溫等離子體放電。與國際同類實驗裝置相比，它在當時獲得四項世界“第一”，即使用資金最少、建設(shè)速度最快、投入運行最早、運行后獲得等離子放電最快。

EAST在近年來取得了一系列處于國際領(lǐng)先地位的實驗成果，“現(xiàn)在每年上千人次的國外科學家來我們所開展國際合作。而10年以前，都是我們遠赴國外跟人家學習。”中科院等離子體所常務副所長宋云濤說。

不過，在開發(fā)利用核聚變能的漫漫“路途”中，EAST還是一個用于科學實驗的裝置。“經(jīng)過十多年的努力，我國在科學研究、工程技術(shù)、人才培養(yǎng)和管理經(jīng)驗上已達到國際一流水平，具備以我為主、通過廣泛國際合作，進一步建設(shè)本國核聚變工程實驗堆的能力。”中國工程院院士李建剛說。

我國在ITER計劃中承接9%的采購包任務。截至目前，科學家攻克了采購包任務中遇到的所有技術(shù)難關(guān)。中科院等離子體所副所長宋云濤介紹，我國交付ITER計劃的采購包部件實現(xiàn)了100%國產(chǎn)化，而且全部一次性100%合格，并按期交付。ITER組織兩任總干事對中方的評價都是“中國在采購包的研發(fā)、生產(chǎn)方面領(lǐng)先于各方”。與此同時，我國自主建造的中科院等離子體所東方超環(huán)(EAST)等裝置已使我國可以與國際一流的核聚變實驗室平等交流、對話。

我國承擔ITER任務的一級制造企業(yè)總共有20多家，在ITER和國內(nèi)核聚變實驗裝置建設(shè)階段這些企業(yè)實現(xiàn)了從無到有、從有到強的工藝和建造技術(shù)跨越，不只填補了國內(nèi)空白，還進入國際領(lǐng)先行列。

從人才培養(yǎng)來看，現(xiàn)在全球各聚變實驗室?guī)缀醵加形覈目蒲腥藛T。ITER組織中方人員數(shù)量在七方成員中僅次于歐盟，占據(jù)第二。我國在國際化大科學工程管理方面也完成了積累。在ITER組織及其下屬各個重要機構(gòu)，中方都有人員擔任過重要職務，發(fā)揮著領(lǐng)導作用。

“人造太陽”距離商用還有多遠

ITER計劃于2021年建成，2027年全面開始以氘、氚燃料為主的實驗堆實驗。

據(jù)了解，在科技部組織下，“中國核聚變工程實驗堆CFETR設(shè)計”項目2015年已經(jīng)完成工程概念設(shè)計，這在國際上形成了很大的反響，世界聚變研究發(fā)達國家美國、德國、法國、意大利等都和我國建立了密切的聯(lián)系，全面參與CFETR的聯(lián)合設(shè)計。俄羅斯同行也表示未來更加深入?yún)⑴cCFETR計劃，一個以我為主的國際合作已現(xiàn)雛形。

CFETR相較于目前在建的ITER，目標是更進一步掌握和完善未來建設(shè)商用示范堆所需的工程技術(shù)。科學家們認為，建設(shè)CFETR需要二十年左右時間，如果它能成功實施將是我國自主設(shè)計、研制，以我為主、有廣泛國際參與的重大科學工程項目，將促使我國引領(lǐng)未來世界聚變能研究，為人類科技發(fā)展做出更多中國人應有的貢獻。

據(jù)介紹，核聚變工程實驗堆之后是核聚變示范堆的建設(shè)和試運行，大概還需要10到20年的時間，此后真正商用還要有一定的物理運行期。如此算來，核聚變能為人類廣泛造福的時代來臨，估計要到21世紀中葉以后。

“我這一輩子，大約做了將近二十萬次‘人造太陽’的實驗，有將近四萬次失敗了。這是一個非常漫長的過程。盡管目前我們在核聚變實驗裝置上實現(xiàn)了一百秒放電，但離一千秒、一萬秒，離無限量商用還很遠，但是我們會一直往下走。”55歲的李建剛院士說，“我的夢想就是在有生之年，有一盞燈泡被核聚變能點亮，這一盞燈泡一定要在中國！”記者蔡敏 朱青