中國“人造太陽”晉級(jí)新段位

位于我國安徽合肥的緊湊型聚變能實(shí)驗(yàn)裝置（BEST）項(xiàng)目建設(shè)近日取得關(guān)鍵突破，引發(fā)廣泛關(guān)注。“杜瓦底座”研制成功并精準(zhǔn)落位安裝，標(biāo)志著該項(xiàng)目主體工程建設(shè)步入新階段，也意味著我們離“人造太陽”的夢(mèng)想又近了一步。

　　聚變是太陽發(fā)光發(fā)熱的核反應(yīng)原理，而“人造太陽”是模擬這一過程的聚變裝置。科學(xué)家認(rèn)為，聚變發(fā)電因具有清潔、無限的特點(diǎn)，是人類追求的終極能源。目前，國際上多個(gè)科研項(xiàng)目正在攻關(guān)相關(guān)技術(shù)。那么，我國的BEST項(xiàng)目有何領(lǐng)先之處？它對(duì)于實(shí)現(xiàn)“人造太陽”有何助益？發(fā)展聚變能將怎樣重塑地球的能源未來？

　　此次新聞中提到的杜瓦底座結(jié)構(gòu)直徑約18米，高約5米，重400余噸，是緊湊型聚變能實(shí)驗(yàn)裝置主機(jī)系統(tǒng)中最重的部件，也是國內(nèi)聚變領(lǐng)域最大的真空部件。杜瓦底座相當(dāng)于裝置的“地基”，未來將承載整個(gè)主機(jī)6000余噸設(shè)備的重量和絕熱功能。它落位安裝完畢后，主機(jī)核心部件也將陸續(xù)進(jìn)場(chǎng)安裝。

　　那么，科學(xué)家關(guān)注的聚變究竟是什么？與常見的化學(xué)反應(yīng)截然不同，聚變是原子核級(jí)別的反應(yīng)，兩顆較輕的原子核結(jié)合到一起，會(huì)生成一顆較重的原子核。化學(xué)反應(yīng)只涉及原子的外層電子，觸碰不到原子核，而聚變反應(yīng)改變的是原子核本身。以太陽為例，它的中心時(shí)刻在發(fā)生氫核聚變?yōu)楹ず说姆磻?yīng)，氫逐漸減少，氦不斷增加，從化學(xué)的角度來看，這個(gè)反應(yīng)式是配不平的。

　　當(dāng)談到核反應(yīng)時(shí)，人們的第一印象往往是排山倒海的能量。這個(gè)能量來自原子核內(nèi)核子（包括質(zhì)子與中子）的結(jié)合能，由四大基本相互作用（強(qiáng)相互作用、電磁相互作用、弱相互作用、引力相互作用）中的強(qiáng)相互作用驅(qū)動(dòng)，強(qiáng)度遠(yuǎn)超化學(xué)反應(yīng)涉及的電磁相互作用。這個(gè)能量究竟有多強(qiáng)呢？在原子核尺度的1飛米（千萬億分之一米）距離上，兩個(gè)質(zhì)子相互吸引的核力（強(qiáng)相互作用在核子外的剩余力）比它們相互排斥的電磁力強(qiáng)約100倍。因此，若想把氦核掰成4個(gè)核子，就要施加遠(yuǎn)超化學(xué)反應(yīng)的巨大能量才能做到。反過來想，4個(gè)核子合并為氦核，則會(huì)釋放出同等巨大的能量。這個(gè)能量用愛因斯坦著名的質(zhì)能方程E=mc2（能量=質(zhì)量乘以光速平方）換算后，足以察覺質(zhì)量虧損。舉個(gè)例子，讓1000克氫全部聚變，最后得到的氦只有993克左右，丟失的7克，實(shí)際上是以630萬億焦耳的能量形式釋放出來了。若把這個(gè)能量用于整個(gè)北京地區(qū)的城鄉(xiāng)居民生活用電，基本上可以支撐兩天。

　　另有一種核反應(yīng)與聚變的方向相反，它是由較重的原子核分裂為若干顆較輕的原子核，物理上稱之為裂變。如果裂變產(chǎn)物中有2個(gè)或以上的粒子能撞到其他原子核，引起更多新的裂變，那么核反應(yīng)還會(huì)以指數(shù)形式急劇增長(zhǎng)，觸發(fā)“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”。裂變的典型例子就是原子彈與核電站。

　　無論是聚變還是裂變，均能找到實(shí)例：宇宙中，包括太陽在內(nèi)的所有恒星，每一顆都是碩大無朋的天然聚變反應(yīng)堆；地球上，科學(xué)家在非洲加蓬的奧克洛鈾礦區(qū)發(fā)現(xiàn)，那里曾在17億年前自然沉積出一個(gè)天然裂變反應(yīng)堆，以平均100千瓦的功率斷斷續(xù)續(xù)運(yùn)行了幾十萬年。

　　實(shí)現(xiàn)人工聚變難在哪兒

　　人們對(duì)聚變的認(rèn)識(shí)始于1920年英國科學(xué)家亞瑟·斯坦利·愛丁頓對(duì)太陽發(fā)光發(fā)熱原理的猜想，那時(shí)的科學(xué)界尚未摸清原子核結(jié)構(gòu)，甚至還沒有發(fā)現(xiàn)中子。相比而言，雖然科學(xué)家直到1938年才發(fā)現(xiàn)裂變現(xiàn)象，但對(duì)裂變的應(yīng)用比聚變發(fā)展得快多了。究其原因，是人工聚變的難度太高。

　　難在哪里呢？難在原子核都帶正電荷。要想把兩個(gè)原子核合并到一起，就得克服它們之間的電磁斥力。人們可能會(huì)問：前面不是說，相互吸引的核力遠(yuǎn)比相互排斥的電磁力強(qiáng)大嗎？是的，然而核力有個(gè)致命弱點(diǎn)，就是它會(huì)隨著距離增大而迅速衰減。在1飛米距離上，質(zhì)子之間的核力比電磁力強(qiáng)約100倍，但到了1.7飛米，電磁力就開始占上風(fēng)了。也就是說，兩顆相向而行的原子核，還沒飛到核力的“地盤”，就已經(jīng)被電磁斥力推開了。

　　怎么辦？一方面，要提高溫度，讓原子核運(yùn)動(dòng)得快起來。只有跑得足夠快，它們才能突破電磁斥力的藩籬，沖進(jìn)核力的作用范圍，與其他原子核合體。例如氫彈的聚變階段，就是通過引爆一顆原子彈產(chǎn)生的幾千萬攝氏度高溫啟動(dòng)的；太陽核心有1500萬攝氏度，勉強(qiáng)能夠點(diǎn)燃非常低效的聚變反應(yīng)，可供燃燒上百億年。

　　另一方面，要選擇比較容易發(fā)生聚變的原子核，用行話來說，就是找“反應(yīng)截面較大”、對(duì)溫度要求不是那么高的原子核。目前所知的最佳原料是氫的兩種同位素：氘和氚（質(zhì)子數(shù)都是1，氘核有1個(gè)中子，氚核有2個(gè)中子）。二者可在5000萬到2億攝氏度大量聚變，生成1個(gè)氦核、1個(gè)中子與17.6兆電子伏的能量。

　　當(dāng)我們提高溫度至上億攝氏度，不但物質(zhì)會(huì)完全氣化，電子與原子核也會(huì)“分家”，進(jìn)入等離子狀態(tài)。此時(shí)，需要把這團(tuán)等離子體約束住，讓它達(dá)到較高的密度，不然即使溫度上去了，如果原子核互相見不到面，聚變也不會(huì)發(fā)生。同時(shí)，還要有足夠長(zhǎng)的能量約束時(shí)間，否則熱量耗散太快，聚變?nèi)匀粺o法發(fā)生或持續(xù)。

　　在聚變能開發(fā)領(lǐng)域，n（密度）、T（溫度）、τ（能量約束時(shí)間）是最關(guān)鍵的3個(gè)參數(shù)，三者的乘積決定了聚變反應(yīng)能否自持進(jìn)行下去，或者說，能否“盈利”，讓聚變反應(yīng)的能量輸出超過制造聚變的能量輸入。

　　談到能量約束，目前已知有3種約束高溫等離子體的方法：重力約束、慣性約束與磁約束。太陽用的就是重力約束，它巨大的重力把聚變?nèi)剂纤浪赖胤怄i在自己身體里，中心密度可達(dá)黃金的7倍多。慣性約束是用多束強(qiáng)激光同時(shí)照射氘氚混合物的靶丸，瞬間產(chǎn)生高溫，而原子因?yàn)閼T性來不及跑掉，只好就地發(fā)生聚變。磁約束則是利用帶電粒子橫穿磁場(chǎng)時(shí)會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)的原理（洛倫茲力），把等離子體約束在一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)編就的“籠子”中。

　　在這3種方法中，重力約束無法在小小的地球上實(shí)現(xiàn)，慣性約束只能一發(fā)一發(fā)地打靶，難以連續(xù)產(chǎn)能，目前更有發(fā)展前景的是磁約束。磁約束設(shè)備主要包括托卡馬克、仿星器、磁鏡和箍縮裝置等，其中托卡馬克發(fā)展得最為成熟，此次引發(fā)關(guān)注的中國緊湊型聚變能實(shí)驗(yàn)裝置就是一座托卡馬克。

　　大型全超導(dǎo)為何成優(yōu)選

　　托卡馬克（TOKAMAK）被科學(xué)家當(dāng)作人造太陽的實(shí)驗(yàn)裝置之一，承載著人類邁向能源自由的夢(mèng)想。世界上第一臺(tái)托卡馬克于20世紀(jì)50年代誕生于蘇聯(lián)。所以，“托卡馬克”其實(shí)是一個(gè)俄文縮寫的音譯詞，包含最關(guān)鍵的4個(gè)要素：環(huán)形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnit）、線圈（kotushka），中文也可譯為“環(huán)形磁約束聚變裝置”。

　　從這4個(gè)要素便可理解托卡馬克的功能。環(huán)形是通過讓有限的物質(zhì)在有限的空間里源源不斷地流動(dòng)，達(dá)到約束的目的；真空是為了提供等離子體流動(dòng)及聚變反應(yīng)的環(huán)境，并避免高溫物質(zhì)直接接觸室壁；磁是引導(dǎo)等離子體流動(dòng)的手段；線圈是使用電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的設(shè)備。綜合起來看，托卡馬克的核心目標(biāo)是通過電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，在環(huán)形真空室的腔體中心把一圈流動(dòng)的高溫等離子體約束起來。

　　具象化理解就是：一座托卡馬克的核心部分就像是平放在地上的一個(gè)游泳圈，高溫等離子體沿著“游泳圈”的腔體中心流動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定約束，等離子體的運(yùn)動(dòng)路徑并不是單調(diào)畫圓，而是像螺旋手環(huán)那樣一邊前進(jìn)一邊扭轉(zhuǎn)，不斷地從里圈繞到外圈，再從外圈繞回里圈，形成螺旋扭轉(zhuǎn)的“磁面”。營(yíng)造這樣的磁場(chǎng)環(huán)境需要3組電磁線圈：一是包圍著“游泳圈”截面的若干縱場(chǎng)線圈，它們產(chǎn)生沿腔體方向的環(huán)向強(qiáng)磁場(chǎng)，是約束高溫等離子體最主要的磁場(chǎng)分量；二是立在“游泳圈”中央的中心螺管，用于感應(yīng)產(chǎn)生和維持等離子體電流；三是圍在“游泳圈”外的極向場(chǎng)線圈，用于等離子體平衡控制。

　　我國建設(shè)的托卡馬克——緊湊型聚變能實(shí)驗(yàn)裝置極其龐大，僅杜瓦底座就重400余噸。之所以要做這么大，主要有以下幾個(gè)原因：一是大設(shè)備可以建立更強(qiáng)大的磁場(chǎng)約束，也允許容納更高的等離子體電流，從而提高聚變反應(yīng)的原子核碰撞幾率和總功率輸出；二是可以更好地抑制不穩(wěn)定性擾動(dòng)，顯著延長(zhǎng)約束時(shí)間；三是可以降低高溫等離子體的表面積-體積比，使能量盡可能留在等離子體內(nèi)部，延長(zhǎng)能量約束時(shí)間；四是更利于集成大功率的周邊系統(tǒng)和維護(hù)設(shè)備，也更接近實(shí)用化的聚變能輸出，為未來的工程化奠定基礎(chǔ)。

　　這次安裝的杜瓦底座在整個(gè)緊湊型聚變能實(shí)驗(yàn)裝置中發(fā)揮的作用是，提供絕熱功能，把上億攝氏度的高溫等離子體及室溫操作區(qū)與運(yùn)行在-269℃環(huán)境中的超導(dǎo)線圈隔離開來。

　　使用超導(dǎo)線圈是因?yàn)橥锌R克需要建立強(qiáng)大的磁場(chǎng)。常規(guī)導(dǎo)體制成的線圈存在電阻，通過大電流時(shí)會(huì)劇烈發(fā)熱，無法長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)運(yùn)行，能夠產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度也相當(dāng)有限，難以滿足高溫等離子體的約束需求。為了避免線圈燒掉，早期的托卡馬克只敢運(yùn)行幾秒鐘，還要使用脈沖電流。而超導(dǎo)材料在極低溫下的電阻為零，長(zhǎng)時(shí)間通過百萬安培級(jí)的大電流也不會(huì)發(fā)熱，并且能夠產(chǎn)生極強(qiáng)的磁場(chǎng)，大大提高了約束性能。

　　我國作為概念驗(yàn)證的HT-7超導(dǎo)托卡馬克曾在2008年創(chuàng)下400秒的運(yùn)行紀(jì)錄，之后的“東方超環(huán)”（EAST，其中S是“超導(dǎo)”的英文縮寫）更是在2025年1月達(dá)到1066秒。

　　聚變能將實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)

　　目前，全世界的科技大國都在費(fèi)盡心力發(fā)展人工聚變，究其原因，有能源與環(huán)境兩方面的考量。

　　世界上的能源供給現(xiàn)以化石燃料（天然氣、石油、煤、木材）為主，因?yàn)榛剂献钊菀撰@取。但是，使用化石燃料會(huì)將二氧化碳排放到大氣中，造成溫室效應(yīng)，所以這個(gè)能源結(jié)構(gòu)很不合理。不到200年時(shí)間里，人類活動(dòng)已經(jīng)使大氣中溫室氣體濃度相比工業(yè)化之前增長(zhǎng)了50%。隨著世界人口不斷增加以及生活質(zhì)量的飛速提高，人類對(duì)能源的需求量會(huì)增長(zhǎng)得越來越快。如果維持舊的能源結(jié)構(gòu)，不但會(huì)使地球環(huán)境加劇惡化，還會(huì)使有限的化石燃料資源日益枯竭。

　　因此，科學(xué)家積極開發(fā)利用清潔可再生能源，如水能、風(fēng)能、太陽能等，還發(fā)現(xiàn)了效率更高的核能，其中裂變反應(yīng)已被嫻熟掌握。但由于可再生能源受氣候影響較大，而裂變的原料礦藏十分有限且裂變廢料半衰期太長(zhǎng)，對(duì)環(huán)境有害，能源危機(jī)并未得到解決。比起化石燃料與裂變能源，聚變的產(chǎn)能效率極高，2千克氘加上3千克氚聚變產(chǎn)生的能量，抵得上300千克鈾裂變或燃燒1.3萬噸石油。而且，聚變產(chǎn)物是無毒無放射性的氦，非常清潔。從聚變所需的原料來看，氘在海水中的儲(chǔ)量極為豐富，氚則可以通過中子轟擊鋰獲得，在地球上（特別是海洋中）的儲(chǔ)量也很大。因此，基于氘氚聚變的核能是安全、高效、清潔的理想新能源。

　　從上世紀(jì)50年代至今，人類對(duì)聚變能的開發(fā)已經(jīng)探索了70余年，而我國從上世紀(jì)90年代起，歷經(jīng)基礎(chǔ)研究、技術(shù)突破、工程化推進(jìn)與商業(yè)化探索等階段，逐步實(shí)現(xiàn)了從“跟跑”到“領(lǐng)跑”的歷史跨越。2006年首次運(yùn)行的“東方超環(huán)”作為我國自行設(shè)計(jì)研制的國際首個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克，為我國參與合作的國際熱核聚變?cè)囼?yàn)堆（ITER）及今后更多的聚變能開發(fā)計(jì)劃，提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)先導(dǎo)與驗(yàn)證平臺(tái)。

　　根據(jù)計(jì)劃，我國的緊湊型聚變能實(shí)驗(yàn)裝置將于2027年底建成，屆時(shí)，對(duì)于我國率先開展前沿聚變科學(xué)研究、驗(yàn)證未來聚變堆關(guān)鍵技術(shù)、持續(xù)引領(lǐng)國際聚變能發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義。作為聚變能研究的重要方向，氘氚聚變?cè)谑澜绶秶鷥?nèi)仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，科學(xué)家的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，以期有一日能夠支撐人類長(zhǎng)期的能源需求與可持續(xù)發(fā)展。

來源：北京日?qǐng)?bào)