●这是聚变史上的里程碑,但离实用还有很长的路要走
●探索可控核聚变,能促进一系列技术进步和成果转化
●如能利用可控聚变能,人类将有能力飞向更远的太空
“人造太阳”是迄今为止人类的终极能源梦想。
核聚变,是太阳产生能量的方式。“人造太阳”是模仿太阳产生核聚变反应原理,尝试在实验室里操控等离子体,源源不断地释放出聚变能。为了驯服核聚变,人类已经探索了70多年,中国科学家也为此奋斗了40多年。
近日,中国科学院第十九届公众科学日活动中,刚刚实现稳态高约束模式等离子体运行403秒世界纪录的“中国太阳”,成为开放日活动中最受关注的大科学装置。
403秒的背后,是超过12万次实验的艰辛付出。近日,记者联系到可控核聚变事业的探索者们,听他们讲述403秒背后的故事。
403秒意味着什么?
位于合肥的“人造太阳”装置,简称EAST,中文名叫东方超环。“EAST四个字母,指实验Experimental、先进Advanced、超导Superconducting、托卡马克Tokamak,中文意思为‘先进实验超导托卡马克’,同时具有‘东方’的含义。”中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所(以下简称“等离子体所”)科普主管蔡其敏介绍。
EAST作为全球第一台全超导、而非原截面的托卡马克装置,在2000年正式开始建设,2006年建成,当年9月获得第一次等离子体放电,已运行17年,目前正在进行的是第20轮物理实验。
4月12日21时,EAST创造403秒的新纪录。博士伍兴权是这项突破性实验的主要研究人员之一,他解释说,为取得这403秒,科研人员前期做了非常多准备。
为保持等离子体稳定运行,EAST利用特殊材料,在极低温下达到超导状态,从而减少能量损失和电阻;用磁约束技术,通过强大磁场将等离子体困在一个狭小的空间内,避免与容器壁接触,从而减少能量散失。
“这403秒,是聚变史上的一个里程碑。”等离子体所EAST装置实验运行总负责人龚先祖说,EAST经历了122544次的放电,才成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒。
在未来,真正的聚变堆需要长年累月运转,要求运转过程中所有的状态参数都要达到稳态。“能够束缚离子体的时间越久,就意味着我们离完全掌握控制它们越来越近。”伍兴权说。
“人造太阳”离实用有多远?
从20世纪50年代开始,核电登上世界能源舞台,并展示出巨大的威力——只要燃烧极少的燃料就可获得巨大的能量。而现有核电站是以原子核的裂变反应为基础,原料储量少,产生的放射性废物处理起来也比较困难。
相比裂变,核聚变反应的原材料在地球上极其丰富,且排放无污染。如果能造一个“太阳”来发电,人类有望实现能源自由。
怎么在地球上实现可控核聚变?上世纪50年代初期,前苏联科学家提出“托卡马克”的概念。托卡马克在俄语中是由“环形”“真空”“磁”“线圈”几个词组合而成——依靠等离子体电流和环形线圈产生的强磁场,将极高温等离子体状态的聚变物质约束在环形容器里,以此来实现聚变反应。国际上大型托卡马克装置取得的成果显示,托卡马克是现阶段最有可能实现聚变能商业化的途径。
自上世纪70年代开始,我国集中选择托卡马克为主要研究途径,先后建成并运行了包括中科院物理所的CT-6,中国科学技术大学的KT-5,中科院等离子体所的HT-6B、HT-6M、HT-7,核工业西南物理研究院的HL-1A、HL-1M、HL-2A等托卡马克装置。
在上述基础上,EAST于2006年初成功进行了工程调试并取得了一系列世界领先的成果。龚先祖介绍,EAST虽然仅仅维持了几分钟,但这意味着,在同样的实验条件下,可以把储能和能量提高到更高水平,这也是未来聚变反应堆所采用的运行模式。
但科学家们也清醒地认识到,可控核聚变距离真正实用的装置,还有相当长的距离。
“EAST装置仅仅是磁约束聚变研究的一个基础性实验装置,在物理上和工程上,还需要不断实验,才能达到建设运行未来聚变反应堆需要的条件。”龚先祖说。
他认为,如果各方条件具备,10年之内可以建造一个演示性的核聚变反应堆;在20年之内,可以实现利用聚变能来发电。
相对于实验室中的“人造太阳”,我国也在规划具有实验性质的反应堆,并积极参与国际合作。
国际上,“国际热核聚变实验堆(ITER)”项目自1985年启动至今,已经将近40年。ITER计划的目标是要建造一个可自持燃烧的托卡马克核聚变实验堆,以便对未来聚变示范堆及商用聚变堆的物理和工程问题做深入探索。
2006年,中国同欧盟、韩国、俄罗斯、日本、印度和美国六方草签了《ITER联合实施协定》。这标志着ITER计划实质上进入了正式执行阶段,也标志着我国实质上参加了ITER计划。中国承担ITER计划10%的工程建设任务。
中国在参与ITER项目的过程中,科研团队获得了深度参与国际科研合作项目的机会,积累了建造“人造太阳”的经验,在材料科学、超导技术等领域研发能力得到进步,为中国接下来建造聚变工程实验堆(CFETR)奠定了基础。
可控核聚变的未来是星辰大海
作为人类在能源领域最前沿的探索,可控核聚变的发展离不开多学科多领域的支持。
伍兴权举例说,21世纪各种技术的稳步前进,都对“人造太阳”的研究提供了重要支撑。比如,等离子体控制和数据计算都依赖于高速计算机,“没有计算机的支持,聚变反应是不可能进行的”。
“随着超导技术的进步、先进计算机的运用以及对物理学的探索,我们有望实现更高效、更可靠的核聚变能源,为人类的可持续发展作出更大贡献。”伍兴权说。
另一方面,针对可控核聚变的探索,也能够促进一系列技术的进步。在EAST的牵引下,已衍生出了一系列重要的创新成果,形成了超导技术、低温技术、等离子体技术、生物技术、材料技术、机器人技术等多个产业技术板块,推动一大批高新技术成果实现转移转化。
比如,质子和重离子放疗是目前国际公认最尖端的放射治疗技术。等离子体所利用大科学装置的超导技术,积极研制国内首套具有自主知识产权的医用超导质子癌症治疗系统,将大幅降低患者治疗费用。
等离子体还能治疗皮肤病,有广谱抗菌、加速凝血、促进细胞增殖、无耐药性及副作用等优点。为此,等离子体所将大科学装置离子束技术引入生物学科,致力于微生物新菌种的创制、发酵调控、产物分离分析及终端产品的研究和产业转化。
龚先祖说,在科幻小说和电影中,聚变能应用前景广泛,但让科幻里的美好愿景成为现实,需要多学科、多种综合实力的结合。“如果真正掌握了可控的聚变能,利用这种动力,可能使得我们的火箭飞向更远的太空,在未来有一天可以遨游宇宙,飞向星辰大海。”
“人造太阳”与能源自由
人造太阳不是一个“大火球”,而是人造、可控的核聚变实验装置,看上去是一个巨大的“罐子”。它拥有类似太阳的运行机制,利用核聚变反应产生巨大的能量。核聚变反应的原材料在地球上极其丰富,且排放无污染。如能实现可控核聚变,人类就有望实现能源自由。
文/王诗堃 徐勉 黄颖彤
供图/视觉中国
编辑/倪家宁
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