科普作家硬核科普！終極能源“人造太陽”到底是什么？
文章來源：國資小新 發布時間：2019-04-25
“如果將來有一盞燈會被聚變能點亮，相信這盞燈一定、也必須是在中國！”
4月22日，#科幻作家走進新國企#第二站來到中核集團。在核工業西南物理研究院，中國“人造太陽”裝置首次對科幻、科普作家開放。據介紹，這個裝置的最大意義在于提供核聚變研究平臺，助力開發人類的終極能源。為什么這么說？一起聽聽科普作家的介紹。
屬于宇宙和未來的能源
能源是可以為人類生產或生活提供所需的光、熱、動力等任一形式能量的資源。作為人類最偉大的發明之一和未來最理想的能源，核能在世界能源體系中扮演著越來越重要的角色。
什么是核聚變？
核聚變，顧名思義，是利用原子核聚變反應產生能量。人類最早發現的核聚變反應是太陽內的核反應，它不斷地向外輻射能量，向地球輸送能源。因此，核聚變也被看作是宇宙的能源。它的好處也是顯而易見，比如安全性高，廢料處理成本低，原料容易獲得等等。
核聚變的燃料，氫的同位素氘在海水中儲量極為豐富，從一升海水中提出的氘，在完全的聚變反應中可釋放相當于燃燒300升汽油的能量。核聚變反應堆不會產生污染環境的硫、氮氧化物，更不會釋放溫室效應氣體，而且核聚變反應堆具有絕對的安全性。可以說它是一種無污染，無核廢料，資源近乎無限的理想能源。受控核聚變發電的實現將從根本上解決人類的能源問題。
這話說起來容易，實踐起來談何容易，太陽是一顆中等質量的恒星，質量相當于地球的N倍，其內部可以達到1500萬度的高溫和N個大氣壓的高壓，所以能夠產生可持續的核反應。而氫彈，其爆炸機理干脆就是用原子彈當引信，利用原子彈核裂變反應產生的高溫高壓引發核原料產生聚變反應。
受控核聚變反可用慣性約束或者磁約束的方式使之發生可控的、安全的核聚變反應，從中獲得的熱量可以轉化為機械能，進而轉化為電能，以替代目前廣為使用的化石能源。
五十年的魔咒？
由于受控核聚變裝置的基本物理原理與太陽內部核反應的機理相仿，所以這種裝置被形象地稱為“人造太陽”。
作為一個科技愛好者，我聽說過“受控核聚變發電，永遠的50年后”的魔咒。這個魔咒說的是，自20世紀50年代受控核聚變原理提出以來，每逢有媒體問到相關專家何時才能實現發電時，專家總說50年后，一個10年又一個10年過去了，直到20世紀末答案仍是這樣。
為何會出現受控核聚變發電“永遠的五十年后”魔咒？如何打破這個魔咒？
帶著這個問題，我請教了該研究院的院長劉永。他誠懇地說：
的確有這個問題，受控核聚變太難了
現在各國已經聯合起來進行技術突破。2007年ITER組織成立。國際熱核聚變實驗堆（ITER）是目前全球規模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一，規模僅次于國際空間站的國際大科學工程計劃。ITER將是世界上第一個聚變實驗堆，是最終實現磁約束聚變能商業化必不可少的關鍵一步！
ITER是一個能產生大規模核聚變反應的超導托卡馬克，體積接近天壇祈年殿的尺寸，高30米，直徑28米，重達1萬噸。它將用強磁場約束高溫等離子體，最終實現核聚變能量的穩定可控釋放，預計在本世界中葉實現核聚變能發電，從而造福人類。
中國作為理事會“七方”成員之一，與歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國共同資助這一項目，承擔項目工程建設階段18個采購包的制造任務。
中國承擔的18個采購包，包括了磁體支撐、校正場線圈系統、磁體饋線系統、氣體注入系統、診斷系統等重要組成部分。按計劃，該項目所需的所有大型部件將于2021年到位。ITER總干事認為中國交付相關產品“按時保質”，堪稱合作各方的榜樣。
劉永院長講解核聚變知識
劉永院長介紹說，研究過程中會遇到許多預想不到的困難，充滿不確定性，但挑戰與機遇并存。在遇到預想不到的困難的同時，往往也會出現預想不到的發現與進展，這也是研究的樂趣所在，現在看來經過全世界幾代研究者的不懈努力，看到受控核聚變發電的前景，
不會再用50年了，也許再用30年就可以實現了。
啥是托卡馬克？
從20世紀40年代末開始，世界各科技強國就開發了多種方式，研究核聚變等離子體的約束方法。在這個過程中，人們對實現可控核聚變難度的認識也逐步加深，1954年，蘇聯庫爾恰托夫原子能研究所發明了具有軸對稱磁場位形的托卡馬克 （Tokamak）裝置。
托卡馬克是指環形磁約束受控核聚變實驗裝置，所以中文又稱環流器，它是由一個環形封閉磁場組成的磁籠子，高溫高壓的等離子體就被約束在這個磁場構成的無形籠子里，這個磁籠的外形很像一個中空的救生圈，等離子體環中能產生一個很大的環電流。
從20世紀70年代開始，托卡馬克這種途徑逐漸顯出其獨特的優越性，并在80年代，成為受控核聚變研究的主流途徑。經過近半個世紀的努力，托卡馬克已經顯示出光明的前景，等離子體約束獲得明顯效果，溫度達到上億度。而產生核聚變能量的科學可行性已經被證實了，但是相關的成果都是以短脈沖的形式產生的，與實際反應堆連續運行還有很大的距離，而且核聚變反應能否實現氚自持仍然需要實驗驗證，如果氚自持的難題一旦被攻克，那么我們離商業發電又進了一大步。
我問劉永的第二個問題是，托卡馬克研究進展這么慢，原因在于有可能它并不是最優的受控核聚變裝置構型，也許現在各國都對托卡馬克產生了技術的路徑依賴，而真正適合受控核聚變的技術構型人類還沒有探索出來。
對此，劉永回答說，的確有這種可能，而且包括中國在內的研究核聚變的主要國家也的確都在分出一部分精力在研究其他構型的核聚變裝置。目前僅次于托卡馬克的裝置叫做仿星器。德國就用一半的核聚變研究經費來研究仿星器構型，這是一種備選的技術方案。不過國際學術界公認的是，雖然托卡馬克進展沒有那么快，但仍是目前最有希望成功的可控核聚變裝置。
追日的夸父——中核人
我國于上世紀90年代制定了“熱堆-快堆-聚變堆”三步走的核能發展戰略。《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020年）》，將磁約束核聚變列為先進能源技術。《“十三五”國家科技創新規劃》，將“磁約束核聚變能發展”列入了戰略性前瞻性重大科學問題。
我國核聚變研究始于50年代，開始是原理性和探索性研究。中核集團核工業西南物理研究院于1965年在四川建立，是我國最早的聚變研究專業院所。核西物院作為我國參與ITER計劃的主要技術支撐和研制任務主要承擔單位之一，承擔了我國ITER采購包任務中絕大部分涉核部件的研發與加工制造任務。
從70年代末到80年代初，我國開始在托卡馬克型裝置上進行了重點研究。于1984年在核工業西南物理研究院建成的中國環流器一號（HL-1）是我國自主設計建造的第一個聚變大科學工程裝置，標志著我國受控核聚變研究進入大規模物理實驗階段。
從控制室出來，穿過一個帶有螺旋形樓梯的小隔間，通過一道門，就是容納“中國環流器二號A(HL-2A)”的“車間”了。
看到這臺機器第一感覺是大，第二感覺是多，說它大是因為它有兩層樓那么高，占地面積上百平方米。說它多，是因為各種管路，線圈，電線，機柜圍繞在它周圍，充滿了復雜的技術細節。而就是這臺機器，代表了人類馴服太陽力量的嘗試。
我早就看過環流器的圖片，也在電視上看過關于它的新聞，今天真正站到它面前，可以說近在咫尺，一時卻無法體會它的意義，更無從理解它的原理。
從能源史的角度看，面對它，相當于我們面對猿人升起的第一堆火、工業革命初期的第一臺燃煤鍋爐、19世紀的第一口油井……這種類比恐怕還不恰當，可能受控核聚變裝置的科技史意義要更為獨特。上述能源都是地質年代以來貯存在地殼中的，被植物光合作用凝固的太陽核聚變能。而環流器，則希望跨過那些中間環節，直奔主題。
給我們講解的小伙子是核西物院的博士生，我們可以把他和他的同事、老師看作是未來的夸父或者普羅米修斯——把恒星之火平安帶到地球的人。
普通人靠近“太陽”是什么感受？
我想起赫魯曉夫在回憶錄里寫到他第一次看到蘇聯運載火箭時的感受，“我們這些人像傻子一樣，這里看看，那里摸摸，差點就用舌頭去舔一舔火箭外殼的味道了”。
此時，我感覺自己比赫魯曉夫還要無助。
我只能碎片式地接受：有的裝置是探測核聚變釋放出中子的，有的是測量磁場的，有的是為核聚變供電的，有的是進行磁場控制的。
畢竟受控核聚變不是一個獨立的專業，而是一個高度綜合的學科。搞激光的，有搞閥門的，有搞等離子體物理的，有搞材料的，電控的，計算機的，等等等等，太多了……沒有任何一個人能掌握關于它的所有知識。而這個研究院號稱總師單位，是專門負責系統集成的。核聚變研究也是一個國家科技實力，工業實力的象征。沒有一定水平，是搞不了這個的。
我只能零星引用一些它的參數，供讀者了解中國環流器二號A(HL-2A)的規模。
首先它的產生的磁場比地磁場強1萬倍。其次，它產生的等離子體威力有多強？他們曾經做過等離子體導出實驗：直徑10厘米、厚兩厘米的銅圓盤，被等離子體擊中，不到一秒鐘就消失了。并不是被氣化了，而且是銅盤被等離子化了。
另外，上千萬度乃至一億度的等離子體溫度是通過間接方法測量出來的。因為沒有儀器可以測量這樣的高溫。
普通的燃煤鍋爐運行一段時間后，需要熄火打掃爐膛，清除里面的廢渣。這臺燃燒核聚變燃料的“鍋爐”也是這樣。科研人員會用輝光放電“打掃”真空室內部。
溫度那么高的等離子體在運行，所有物體固態物質不是都被氣化了嗎？怎么還會有固體雜質呢？其實等離子體的核心溫度有上千萬度乃至上億度，但是邊緣溫度會被控制得很低，只有上千度。否則真空腔內壁也會被熔化。
目前內壁是碳材料，碳耐高溫，但活性炭也善于吸附雜質，所以會有等離子體與內壁作用生成的雜質附著在上面，影響實驗精度，需要清除。要知道，一丁點雜質就會產生雪崩效應，使得等離子體形態與運動方式發生劇烈變化，結果就是高速粒子轟擊到內壁，破壞真空腔。
這么復雜的裝置，一定做過很多次核聚變實驗吧？
是的，聽工作人員講解，從2003年至2019年，該裝置共放電33000次。但每次放電平均時長只有兩秒鐘。所以，16年來實驗總時長還不到24小時（86,400秒）。真正的發電廠可是要24小時不間斷運行的。
參觀時，該裝置自然沒有運行，所以我好奇地問工作人員，裝置運行時的感官體驗是什么樣的？
他說，從視覺上來看，只能用攝像頭對準真空腔上開的玻璃小窗口，從屏幕上看到里面的情況——紅色的火焰——并不感覺溫度有多高。
至于振動？并沒有。但由于實驗時磁場啟動，而且等離子體高速運行時也會產生電磁場，所以這些金屬設備里面會產生渦電流，被這些磁場吸引，金屬會產生巨大的扭力，但這些力肉眼是看不到的。因此核聚變裝置對于材料學的要求是非常高的。
至于聽覺嘛，根本聽不到任何聲音。因為等離子體的密度實在太低了，無法傳遞人耳可辨別的聲音。
所以讓我們設想一下這個裝置啟動時的樣子：只有一個小窗透出微弱的閃動的紅色火光，四周靜悄悄的，只有電機的聲音和一些電氣設備風扇的嗡嗡聲。但你若懂它的工作原理，你會知道所有的金屬都在絞著勁兒，緊繃著，抵抗著巨大的磁力。正是這磁力約束著高溫的、產生核聚變反應的等離子體。
把天火永遠留在大地上
我們只在這里停留半天，匆匆過客。
這個環境里蘊含的信息量太大，普通人腦是無法在這么短時間記住這么多東西的。人的思維和體力都有極限。余生也有涯，而知也無涯。但正是這種存在極限的人聯合起來，可以完成這樣巨大的科學工程，其復雜程度超出了任何人類個體的認識能力。
研究院的科研人員從博士畢業算起，至少要在這里工作三十年，還不一定看到可控核聚變商用發電成功的結果。在中國環流器二號A(HL-2A)面前，我們是小過客，他們是大過客。在已經靠核聚變燃燒了五十億年的太陽面前，人類更是匆匆過客。
但人類可以代代接力，“子子孫孫無窮匱也”，把天火永遠留在大地上。
研究院的那些老員工也的確是這樣想，也是這樣做的。他們相信，這是一項對全人類都有益的事業，而且科學研究的過程不斷有新的發現，充滿樂趣。他們甘愿把自己的韶華拋灑在這個貌似看不到成功曙光的崇高事業上。
而對于研究院的新生代而言，他們則對未來十分有信心，“如果將來有一盞燈會被聚變能點亮，相信這盞燈一定、也必須是在中國！”該院的特聘研究員鐘武律博士這樣說道。
自古以來，試圖靠近太陽的人好像結局都不是很美妙：夸父逐日，最后饑渴而死；伊卡洛斯和代達羅斯飛向太陽，用蠟粘合的翅膀卻被陽光熔化，墜海而死。但他們的英名都永傳后世，成為人們追求希望、力圖掌控技術的象征。
奧斯特洛夫斯基有句名言：“一個人的一生應該這樣度過，當他回首往事的時候，不會因為碌碌無為而羞愧，也不會因為虛度光陰而悔恨，這樣，在臨死的時候，他能夠說，我的整個生命和全部精力都已獻給世界上最壯麗的事業——為人類的解放而斗爭。”
為人類尋求永不枯竭的清潔、安全能源，不就是人類的解放而斗爭嗎？這時我理解了，為什么那些老專家談到可控核聚變的研究事業是長跑，是接力跑，而不是短跑。這需要一代又一代有志于此的人接力奮斗。
從這個意義上來說，雖然目前這些圍繞在人造太陽周圍的科學家仍默默無聞，有的還奉獻了全部青春，但是當人造太陽實現應用的那一刻，他們的英名將永遠載入科技歷史的殿堂中，與夸父和代達羅斯并列。
最后，我還想到，這個裝置核能如何體現絲綢之路精神？僅是這個研究院，每年都有100多人次赴美、日、歐進行學術交流。該院的學術水平，已經從在國際上跟跑、并跑，逐漸向領跑過渡，在某些方面已經達到國際領先地位。顯然，沒有國際合作、單靠一個國家單打獨斗，形不成合力，受控核聚變發電的實現還要推遲很多年。只有秉承“開放包容、互學互鑒”的絲路精神，這一天才能早日到來。
【責任編輯：宋詞】
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