指揮控制中心里的“中國(guó)環(huán)流三號(hào)”模型
“硬核”科幻電影里的元素，在現(xiàn)實(shí)中能找到原型嗎？以電影《流浪地球2》中的行星發(fā)動(dòng)機(jī)為例，其原理是“燒石頭”，產(chǎn)生強(qiáng)大推力，讓重達(dá)60萬(wàn)億億噸的地球逃離太陽(yáng)系，前往比鄰星開(kāi)啟流浪之旅。
科幻照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。電影里的行星發(fā)動(dòng)機(jī)，其原理正如新一代人造太陽(yáng)實(shí)驗(yàn)裝置的工作原理。近日，記者實(shí)地探訪中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院，這里有一群“造太陽(yáng)”的人。“人類(lèi)一直希望建造‘人造太陽(yáng)’，利用可控核聚變反應(yīng)來(lái)獲得源源不絕的清潔能源。”中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院聚變科學(xué)所所長(zhǎng)鐘武律在接受記者專(zhuān)訪時(shí)表示，核聚變能一旦成功應(yīng)用，有望從根本上解決人類(lèi)對(duì)能源的需求問(wèn)題。
就在不久前，人造太陽(yáng)科研團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)、建造的新一代人造太陽(yáng)“中國(guó)環(huán)流三號(hào)”，首次實(shí)現(xiàn)100萬(wàn)安培等離子體電流下的高約束模式運(yùn)行。這一重大進(jìn)展再次刷新我國(guó)磁約束聚變裝置運(yùn)行紀(jì)錄，標(biāo)志著我國(guó)磁約束核聚變研究向高性能聚變等離子體運(yùn)行邁出重要一步，是我國(guó)核聚變能開(kāi)發(fā)進(jìn)程中的重要里程碑。
“造太陽(yáng)”的人和他的第二個(gè)“太陽(yáng)”
當(dāng)清晨的第一縷陽(yáng)光照進(jìn)核工業(yè)西南物理研究院聚變科學(xué)所時(shí)，新一代人造太陽(yáng)的“家”開(kāi)始熱鬧起來(lái)。這里就像一個(gè)大腦的“中樞神經(jīng)”系統(tǒng)，大屏幕上的數(shù)據(jù)像一個(gè)個(gè)跳動(dòng)的脈搏，坐在屏幕前，“人造太陽(yáng)駕駛員”們操控、記錄、觀察著“中樞神經(jīng)”傳來(lái)的一串串實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖像。
“人造太陽(yáng)并不是真的造一個(gè)太陽(yáng)，而是利用太陽(yáng)發(fā)光發(fā)熱的核聚變?cè)?，?lái)解決人類(lèi)能源問(wèn)題。”在鐘武律的印象中，這是第N次被問(wèn)到“已經(jīng)有一個(gè)太陽(yáng)，為何還要造一個(gè)太陽(yáng)”。“造太陽(yáng)”的最終目的是通過(guò)可控核聚變，解決人類(lèi)對(duì)能源的需求問(wèn)題，比如發(fā)電，獲得源源不斷的清潔能源，從而造福人類(lèi)。換句話(huà)說(shuō)，這種以探索清潔能源為目的的可控核聚變裝置，被形象地稱(chēng)為“人造太陽(yáng)”。
眼前這個(gè)看上去像被人掰開(kāi)的“橘子”瓣造型裝置，就是新一代人造太陽(yáng)“中國(guó)環(huán)流三號(hào)”托卡馬克裝置等比例縮小的模型。若把裝置想象成閉合狀態(tài)，就像一個(gè)飽滿(mǎn)的“甜甜圈”造型。
整個(gè)裝置的中間是一個(gè)環(huán)形超高真空容器，也就是人造太陽(yáng)的心臟——真空室，里面真空度可達(dá)10的-6次方帕量級(jí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，里面的帶電粒子會(huì)受到磁場(chǎng)的約束和控制，而這種強(qiáng)磁場(chǎng)是通過(guò)向線(xiàn)圈通電進(jìn)而產(chǎn)生的“磁籠子”，這就是磁約束核聚變。鐘武律解釋?zhuān)谑芸刂茽顟B(tài)下，等離子體的形狀可呈現(xiàn)多種形態(tài)。
“其實(shí)就是在一個(gè)大型環(huán)狀真空容器里面注入氣體，然后把氣體電離成等離子體，再利用強(qiáng)磁場(chǎng)把帶電粒子控制住，再進(jìn)行加溫加壓，來(lái)達(dá)到核聚變反應(yīng)的條件。”鐘武律介紹，要在地球上實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)，條件非?？量?，比如等離子體的離子溫度需要達(dá)到1億攝氏度以上，要知道太陽(yáng)的核心溫度只有1500萬(wàn)至2000萬(wàn)攝氏度，要在地球上建造一個(gè)用來(lái)盛裝比太陽(yáng)溫度還要高接近10倍的高溫反應(yīng)物的容器，其難度可想而知，目前地球上沒(méi)有任何材料可以把1億攝氏度的高溫等離子體直接包裹起來(lái)，而人造太陽(yáng)就是這樣一個(gè)容器。
控制“人造太陽(yáng)” 產(chǎn)生源源不絕的清潔能源
核聚變反應(yīng)就是兩個(gè)質(zhì)量較輕的原子核聚合在一起形成一個(gè)質(zhì)量較重的原子核的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中會(huì)發(fā)生質(zhì)量的虧損，根據(jù)愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程式E=mc2，這部分虧損的質(zhì)量乘上光速的平方就會(huì)以大量能量的形式釋放出來(lái)。在地球上，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了核聚變反應(yīng)，氫彈爆炸就是核聚變反應(yīng)。不過(guò)，鐘武律解釋?zhuān)瑲鋸棻▽儆诓皇芸刂频暮司圩?，而他們希望將這部分能量變得可控，讓它緩慢、持續(xù)地釋放。
核聚變反應(yīng)的主要原料氘可以從水中提取，在地球上儲(chǔ)量極為豐富，以海水的總量來(lái)估計(jì)的話(huà)，目前地球上現(xiàn)存的聚變?nèi)剂峡梢怨┤祟?lèi)使用上百億年。而且，根據(jù)測(cè)算，從1L海水中提取出的氘，經(jīng)完全聚變反應(yīng)后釋放的能量相當(dāng)于300L汽油。核聚變不會(huì)產(chǎn)生放射性核廢料，對(duì)環(huán)境十分友好。而且從安全性角度來(lái)說(shuō)，由于核聚變反應(yīng)條件十分苛刻，任何一個(gè)條件不滿(mǎn)足，反應(yīng)會(huì)立刻停止，不會(huì)發(fā)生失控。所以核聚變是人類(lèi)認(rèn)識(shí)到的可以解決未來(lái)能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題的終極手段。
要實(shí)現(xiàn)可控核聚變能必須滿(mǎn)足三個(gè)條件，也就是所謂的“聚變?nèi)朔e”。鐘武律解釋?zhuān)菏紫?，?億攝氏度的高溫。只有溫度特別高，原子核才會(huì)“跑”得更快。其次，是等離子體的密度要足夠高，這樣原子核之間碰撞發(fā)生聚合反應(yīng)的概率就會(huì)提高。最后就是要等離子體自我“保溫”的時(shí)間——即能量約束時(shí)間足夠長(zhǎng)，通常是秒量級(jí)。
未來(lái)可控核聚變能一旦實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，人類(lèi)能源問(wèn)題有望得到徹底解決。相信電費(fèi)可能會(huì)大幅度下降，海水淡化、深空探測(cè)、星際飛船等這類(lèi)需要大量耗能的工程，將得到快速發(fā)展。
從“0”到“1” 背后的“中國(guó)智慧”和“中國(guó)方案”
中國(guó)的可控核聚變研究始于上世紀(jì)50年代，公開(kāi)資料顯示，早在1955年，“兩彈一星”功勛獎(jiǎng)?wù)芦@得者錢(qián)三強(qiáng)和核物理學(xué)家李正武等科學(xué)家便提議開(kāi)展中國(guó)的“可控?zé)岷朔磻?yīng)”研究，這與國(guó)際社會(huì)關(guān)注核聚變幾乎同步。
1984年，中國(guó)環(huán)流一號(hào)（HL-1）的建成，是中國(guó)核聚變研究史上重要的里程碑。2002年中國(guó)建成第一個(gè)具有偏濾器位形的先進(jìn)托卡馬克裝置——中國(guó)環(huán)流二號(hào)（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；如今，中國(guó)環(huán)流三號(hào)（HL-3）托卡馬克裝置，首次實(shí)現(xiàn)100萬(wàn)安培等離子體電流下的高約束模式運(yùn)行，再次刷新中國(guó)磁約束聚變裝置運(yùn)行紀(jì)錄，成為我國(guó)核聚變能開(kāi)發(fā)進(jìn)程中的重要里程碑。中國(guó)的磁約束聚變研究也在不斷發(fā)展和進(jìn)步。
眼前，這個(gè)高約3層樓，全身布滿(mǎn)金屬零件、管線(xiàn)的裝置，正是新一代人造太陽(yáng)“中國(guó)環(huán)流三號(hào)”。它的成長(zhǎng)過(guò)程，是科學(xué)家們一次次填補(bǔ)國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域空白、經(jīng)歷上萬(wàn)次實(shí)驗(yàn)的勵(lì)志故事。
國(guó)際上也在緊鑼密鼓地建造國(guó)際最大“人造太陽(yáng)”——國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃，ITER是目前規(guī)模最大、全球影響最深遠(yuǎn)的國(guó)際合作項(xiàng)目之一。我國(guó)在2006年以平等伙伴身份加入該計(jì)劃，承擔(dān)了其中約9%的制造任務(wù)。2016年中核集團(tuán)成功研制的ITER超熱負(fù)荷第一壁半原型部件在國(guó)際上率先通過(guò)認(rèn)證，也讓中國(guó)在這個(gè)技術(shù)上達(dá)到世界領(lǐng)先水平。2023年11月，中國(guó)完成最后一批ITER磁體支撐產(chǎn)品的制造交付，按時(shí)兌現(xiàn)國(guó)際承諾。
科研工作是一項(xiàng)永無(wú)止境的探索和創(chuàng)新，鐘武律說(shuō)：“未來(lái)我們也將繼續(xù)在這條路上奮進(jìn)拼搏。”
未來(lái)超級(jí)植
在成都“造
全國(guó)自主研
“招賢納士