人造太陽(yáng)：向人類終極能源邁進(jìn)

 

【導(dǎo)語(yǔ)】“可上九天攬?jiān)?，可下五洋捉鱉，談笑凱歌還。”這是一種豪情與詩(shī)意，也是當(dāng)今中國(guó)正創(chuàng)造的奇跡。中國(guó)人對(duì)未知的好奇、對(duì)探索的渴望、對(duì)困境的思考以及對(duì)美好未來(lái)的期待，推開(kāi)了一扇扇嶄新世界的大門(mén)：空間探測(cè)、生物醫(yī)藥、人工智能、量子科學(xué)……中國(guó)科技創(chuàng)新的步伐從未停止。正如習(xí)近平總書(shū)記所說(shuō)，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(kāi)來(lái)中推進(jìn)。新時(shí)代必將是大有可為的時(shí)代。

 

俗話說(shuō)，萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)。在太陽(yáng)內(nèi)部無(wú)時(shí)無(wú)刻不在發(fā)生著核聚變，為大自然帶來(lái)最普遍的能量來(lái)源。所謂“人造太陽(yáng)”，并不是我們習(xí)慣意義上宇宙當(dāng)中的那個(gè)太陽(yáng)，而是指利用太陽(yáng)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(yáng)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(lái)，模擬太陽(yáng)聚變反應(yīng)原理再造一個(gè)“太陽(yáng)”，被公認(rèn)為是解決人類能源危機(jī)的最佳方案，有望一勞永逸地解決人類面臨的能源短缺問(wèn)題。令人興奮的是，中國(guó)在利用受控核聚變技術(shù)建設(shè)“人造太陽(yáng)”方面已經(jīng)走在世界前列。曾經(jīng)兒歌里唱的“種太陽(yáng)”，正在一點(diǎn)點(diǎn)變成現(xiàn)實(shí)。

 

 

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

 

點(diǎn)燃“人造太陽(yáng)”的曙光

 

太陽(yáng)是距離人類最近的恒星，實(shí)際上就是一個(gè)超級(jí)核聚變反應(yīng)堆，其內(nèi)部每秒就有6億噸氫通過(guò)聚變反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氦，在這個(gè)過(guò)程中大約有420萬(wàn)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(jiàn)核聚變能源之強(qiáng)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(yáng)”重要性體現(xiàn)在哪里?這要從核聚變能的優(yōu)點(diǎn)說(shuō)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(méi)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(duì)環(huán)境無(wú)害，一旦造成反應(yīng)的等離子體熄滅，聚變反應(yīng)會(huì)終止。核聚變的原料儲(chǔ)量也很豐富，氘可以直接在海水中提取，氚則可以通過(guò)中子和鋰反應(yīng)產(chǎn)生。據(jù)估算，一升海水中提煉出來(lái)的氘經(jīng)過(guò)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(wú)限、清潔環(huán)保，不產(chǎn)生高放射性核廢料等優(yōu)點(diǎn)，是目前認(rèn)識(shí)到的、可以最終解決全球能源問(wèn)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(guò)要讓核聚變成為能量來(lái)源，現(xiàn)實(shí)操作并不容易。從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，中國(guó)與國(guó)際基本同步開(kāi)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(guó)用價(jià)值400萬(wàn)人民幣的羽絨服、牛仔褲、瓷器等生活物資，換來(lái)了蘇聯(lián)價(jià)值1800萬(wàn)盧布的T-7的半超導(dǎo)托卡馬克裝置。經(jīng)過(guò)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(guó)第一個(gè)超導(dǎo)托卡馬克，也使中國(guó)成為繼俄、法、日之后第四個(gè)擁有超導(dǎo)托卡馬克裝置的國(guó)家。

 

中國(guó)有兩個(gè)“人造太陽(yáng)”

 

 

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(guó)環(huán)流器二號(hào)M裝置（HL-2M）時(shí)進(jìn)行環(huán)向場(chǎng)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(guó)外，但中國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了后來(lái)者居上，處于國(guó)際領(lǐng)先地位。如今，中國(guó)不僅有“人造太陽(yáng)”，而且有兩個(gè)：一個(gè)在安徽合肥西郊“科學(xué)島”上的中國(guó)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(tái)全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置(EAST);另一個(gè)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(guó)環(huán)流器二號(hào)M裝置(HL-2M)。

 

2016年2月，EAST就實(shí)現(xiàn)了電子溫度達(dá)到5000萬(wàn)攝氏度持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)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(shí)還實(shí)現(xiàn)了1.6億攝氏度持續(xù)20秒的運(yùn)行。2021年12月30日，EAST又實(shí)現(xiàn)了7000萬(wàn)攝氏度高溫下1056秒的長(zhǎng)脈沖高參數(shù)等離子體運(yùn)行，打破了自己保持的世界紀(jì)錄，標(biāo)志著中國(guó)在可控核聚變研究上處于世界領(lǐng)先水平。

 

 

“人造太陽(yáng)”1.2億攝氏度成功“燃燒”100秒時(shí)，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(guò)程中，許多關(guān)鍵技術(shù)取得突破并達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，同時(shí)也填補(bǔ)了多項(xiàng)國(guó)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(jì)、建成了國(guó)內(nèi)最大的大型超導(dǎo)磁體測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng);創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)、建造了我國(guó)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(guó)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(guó)際科研合作項(xiàng)目之一——國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃(ITER)。這是全球最大的實(shí)驗(yàn)性托卡馬克核聚變反應(yīng)堆裝置，集成了當(dāng)今國(guó)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(guó)在內(nèi)的多個(gè)國(guó)家參與了這個(gè)國(guó)家大科學(xué)項(xiàng)目，舉多國(guó)合力向受控聚變實(shí)驗(yàn)堆邁進(jìn)。此外，我國(guó)還有在建的中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆 (CEFTR)，預(yù)計(jì)將在2050年建設(shè)成為可控核聚變商業(yè)示范堆。

 

“人造太陽(yáng)”未來(lái)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(yáng)”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(jī)器人技術(shù)等多個(gè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)板塊，推動(dòng)一大批高新技術(shù)成果實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化。

 

比如，質(zhì)子和重離子放療是目前國(guó)際公認(rèn)最尖端的放射治療技術(shù)，一直被發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)內(nèi)首套具有自主知識(shí)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(fèi)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(wú)耐藥性及副作用等優(yōu)點(diǎn);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(guó)的核聚變研究與國(guó)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(guó)特色。有國(guó)外期刊稱贊“中國(guó)創(chuàng)造了聚變歷史”“在這里科學(xué)價(jià)值得到極大體現(xiàn)”。

 

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