“人造太陽”即將升起

李忠東

太陽的光和熱來自太陽的核聚變，氫原子核在太陽的核心處碰撞，融合成更重的氦原子，并釋放出大量能量，成為太陽的能量來源，也是維持地球生命的能量來源。

據(jù)科學(xué)家測算，太陽每秒鐘釋放的能量相當(dāng)于900億個當(dāng)量在百萬噸級核彈爆炸所釋放的能量，地球能夠接收到的太陽發(fā)出的能量，占比僅僅達(dá)到二十二億分之一?？删褪沁@么一點看似不起眼的比例，為地球維持相對穩(wěn)定的溫度、生命體的誕生和生物的發(fā)展演化提供了充足的保障。在構(gòu)成太陽的物質(zhì)中，氫元素和氦元素占太陽總質(zhì)量的98.2%（其中以氫元素為主，占71%左右），氧、碳、鐵、氖、氮、硅、鎂等元素組成剩下不到2%的質(zhì)量。太陽之所以能將氫的同位素氘和氚聚合成氦，釋放出取之不竭的熱核聚變能源，在于它內(nèi)部有1.5億°C以上的高溫和3000億個大氣壓的超高氣壓。

隨著全球人口增長和經(jīng)濟發(fā)展，能源需求將持續(xù)增長，尋找未來能源成為當(dāng)務(wù)之急。2020年12月4日，新一代“人造太陽”裝置——中國環(huán)流器二號M裝置（HL-2M）在成都建成并實現(xiàn)首次放電，這意味著中國再度加快了在未來能源探索方面的步伐。

人類未來能源的希望

地球化石燃料有限、不可再生，而且有污染;風(fēng)能和水能不穩(wěn)定;人類核電站所用的核裂變原料有限，還核廢料有放射性污染。而可控核聚變不排放有害氣體，有利于解決當(dāng)前的環(huán)境污染問題。核聚變的原料是氫的同位素（氘和氚），地球上含量極為豐富。氘在海水中儲量極大，1升海水里提取出的氘，在完全聚變反應(yīng)后，可釋放相當(dāng)于燃燒300升汽油的能量?？茖W(xué)家提出，既然太陽的能量來自其內(nèi)部的核聚變反應(yīng)，那么人類也可以模擬太陽產(chǎn)生能量的原理，研發(fā)人為可控核聚變技術(shù)制造“太陽”。

從核裂變到核聚變，從不可控到可控，雖然僅一字之差，但技術(shù)難度的差別太大了?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，在實驗室環(huán)境下，最有效的聚變反應(yīng)是氘和氚之間的反應(yīng)，能在所謂“最低的溫度”下產(chǎn)生最高的能量增益。要進(jìn)行核聚變反應(yīng)，首先必須提高物質(zhì)的溫度，使原子核和電子分開，處于這種狀態(tài)的物質(zhì)稱為等離子體。但是，都帶正電的原子核之間會互相排斥，很難接近彼此。想要發(fā)生核聚變，必須保證等離子體的溫度（增加發(fā)生碰撞的可能性）、密度和封閉時間（等離子體很快就會飛散開來，所以必須先將其封閉）。

在太陽里，可以利用巨大的引力使等離子體封閉。那么，在實驗室中怎么辦呢？一種方法便是利用磁場。當(dāng)?shù)入x子體帶電時，電荷被卷在磁力線上。只要制造出磁場，就能夠?qū)⒌入x子體封閉，使它們懸浮在真空中。20世紀(jì)50年代，科學(xué)家首次提出托卡馬克的概念。托卡馬克是一種利用磁約束來實現(xiàn)受控核聚變的環(huán)形容器，中央設(shè)計成一個環(huán)形真空，外面圍繞著線圈，氘和氚被注入托卡馬克。通電時，托卡馬克的內(nèi)部會產(chǎn)生巨大的螺旋形磁場，加熱直到它們變成等離子體。當(dāng)?shù)入x子體達(dá)到1.5億攝氏度時，即發(fā)生聚變。原子聚變產(chǎn)生的能量以熱的形式被容器壁吸收，就像傳統(tǒng)的發(fā)電廠一樣，聚變發(fā)電廠將利用這些熱量產(chǎn)生蒸汽，然后通過渦輪和發(fā)電機發(fā)電。

中國環(huán)流器二號M裝置實現(xiàn)首次發(fā)電

我國20世紀(jì)50年代著手可控聚變研究，目前一直處在國際先進(jìn)水平，在全球民用核聚變技術(shù)方面走在世界最前列。1970年開始自主設(shè)計、研發(fā)投建第一座“人造太陽”實驗裝置——“中國環(huán)流器一號”，直至1984年建成。在“中國環(huán)流器一號”的基礎(chǔ)上，經(jīng)過重新改建，1994年“中國環(huán)流器新一號”竣工建成。2002年又建成了第一個具有偏濾器位形的托卡馬克裝置——“中國環(huán)流器二號A”（HL-2A）。在前三座裝置的基礎(chǔ)積累下，“中國環(huán)流器二號M”（HL-2M）成功改造升級，成為我國規(guī)模最大、參數(shù)最高的先進(jìn)磁約束托卡馬克裝置。中國環(huán)流器二號M裝置（HL-2M）是我國自主設(shè)計建造，采用了先進(jìn)的結(jié)構(gòu)和控制方式，具有先進(jìn)的偏濾器位形的優(yōu)勢。它的體積是目前國內(nèi)現(xiàn)有裝置的兩倍以上，等離子體電流的能力可以提高到2.5兆安培，等離子體離子的溫度可以達(dá)到1.5億°C，相當(dāng)于太陽核心溫度的10倍。

在中國環(huán)流器二號M裝置（HL-2M）的建設(shè)過程中，核工業(yè)西南物理研究院聯(lián)合國內(nèi)多家研制單位，在裝置物理與結(jié)構(gòu)設(shè)計、特殊材料研制、材料連接與關(guān)鍵部件研發(fā)、總裝集成等方面取得了多項突破，實現(xiàn)了可拆卸線圈結(jié)構(gòu)，增強了控制運行水平，提升了裝置的物理實驗研究能力;攻克了高鎳合金雙曲面薄壁件大型真空容器模壓成型和焊接變形控制等關(guān)鍵技術(shù);掌握了具有國際先進(jìn)水平的異形銅合金厚板材制造成型工藝，實現(xiàn)了高強度膨脹螺栓組件的自主國產(chǎn)化;研制成功具有國際先進(jìn)水平的國內(nèi)首臺大型立軸脈沖發(fā)電機組。以中國環(huán)流器二號M裝置（HL-2M）建設(shè)為牽引，西物院掌握的特種材料、關(guān)鍵設(shè)備、極端條件精密制造等關(guān)鍵技術(shù)，已形成“同步輻射”效應(yīng)，在航空、航天、電子等前沿領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)新應(yīng)用。

核聚變實驗的世界主流是強磁場約束托卡馬克聚變，“東方超環(huán)”（EAST）是我國第四代核聚變實驗裝置，也是全球首個非圓截面全超導(dǎo)托卡馬克聚變裝置。作為國際熱核聚變實驗堆（ITER）的前沿實驗基地，EAST控制大廳的很多參數(shù)是共享的，吸引著來自各國的科學(xué)家。他們圍繞高參數(shù)長脈沖等離子體相關(guān)科學(xué)技術(shù)問題進(jìn)行很多國際聯(lián)合實驗，獲得了一系列新成果和大量的科學(xué)實驗數(shù)據(jù)，為未來更高參數(shù)的長脈沖物理實驗奠定了很好的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)。

2017年12月5日，由中國自主設(shè)計和研制并聯(lián)合國際合作的重大科學(xué)工程——中國聚變工程實驗堆（CFETR）正式啟動。CFETR計劃分三步走：第一階段到2021年，開始立項建設(shè);第二階段到2035年，計劃建成聚變工程實驗堆，開始大規(guī)?？茖W(xué)實驗;第三階段到2050年，聚變工程實驗堆實驗成功，建設(shè)聚變商業(yè)示范堆，完成人類終極能源。CFETR對解決能源危機問題具有重要意義，將推動我國跨入世界聚變能研究開發(fā)先進(jìn)行列，成為參與全球科技競爭與合作的重要力量。我們對未來充滿信心，第一個點亮核聚變之光的一定是中國。

攜手播種“太陽”

雖然世界上已經(jīng)有數(shù)百個托卡馬克被建造出來了，但要利用托卡馬克裝置實現(xiàn)對熱核聚變的控制，在關(guān)鍵技術(shù)上仍存在很大挑戰(zhàn)，需凝聚全世界之力共同攻克。1985年提出的國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國際科研合作項目之一，旨在為大規(guī)模核聚變進(jìn)行概念驗證，包括驗證核反應(yīng)堆級別的裝置主機集成技術(shù)、驗證裝置的穩(wěn)定運行能力、實現(xiàn)聚變反應(yīng)的輸出功率至少10倍于輸入功率和演示50萬千瓦聚變反應(yīng)功率的可靠運行。

ITER是第一個實現(xiàn)“燃燒”或自加熱等離子體的項目，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過以往的嘗試，將成為世界上最大的，也是第一個真正意義上的“人造太陽”。在法國南部建造的這個能產(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應(yīng)的超導(dǎo)托卡馬克裝置，驗證如何將足夠多的燃料在極端高溫條件下約束足夠長的時間，使它受控制地發(fā)生核聚變反應(yīng)。整套裝置高30米，直徑28米，重達(dá)2.3萬噸，包含數(shù)百萬個零件，其中超導(dǎo)磁體重近3000噸，由超導(dǎo)電纜連接。ITER將歷時35年，其中建造階段10年、運行和開發(fā)利用階段20年、去活化階段5年。

我國在發(fā)展可控聚變技術(shù)的同時，也注重加強國際合作，2003年正式加入ITER計劃。作為ITER計劃7個合作方（中國、歐盟、美國、俄羅斯、日本、韓國和印度）之一，我國承擔(dān)了其中約9%的科研建設(shè)任務(wù)，同時享有5%以上的職員配比。隨著ITER計劃的推進(jìn)和我國科技實力的增強，這一比例在不斷上升。無論是在執(zhí)行進(jìn)度還是在完成質(zhì)量方面，均處于其他合作方的前列，且創(chuàng)造了多項技術(shù)第一。2020年6月，由中科院合肥研究院等離子體所自主研制的極向場6號超導(dǎo)線圈運抵ITER總裝現(xiàn)場。該線圈總重超400噸，是實驗堆主機最重要的構(gòu)件之一，也是目前國際上質(zhì)量最大、研制難度最高的超導(dǎo)磁體。中國以快速的工程反應(yīng)和科研進(jìn)步，成為各合作方中兌現(xiàn)國際承諾的典范。

2020年7月28日，ITER在法國南部卡達(dá)拉舍舉行安裝啟動儀式，開始了為期5年的組裝階段，標(biāo)志著這個人類歷史上最大的核聚變項目進(jìn)入新的階段。組裝過程完成后，該設(shè)施將模擬太陽產(chǎn)生能量的核聚變過程，開始產(chǎn)生聚變能量所需的超熱等離子體。第一個超熱等離子體預(yù)計將在2025年底產(chǎn)生，不過這一項目仍存在一些技術(shù)挑戰(zhàn)。

2020年8月31日，ITER托卡馬克裝置杜瓦下部筒體吊裝工作圓滿完成，拉開了國際熱核聚變實驗堆主設(shè)備安裝序幕。杜瓦下部筒體直徑30米，高10米，重約400噸，尺寸大約占ITER托卡馬克裝置的1/3。作為ITER計劃工程安裝啟動儀式后的第一個重大部件安裝，精度和形變控制要求極高。中國核工業(yè)集團有限公司牽頭的中法聯(lián)合體技術(shù)團隊承擔(dān)了此次吊裝，技術(shù)人員反復(fù)進(jìn)行計算確認(rèn)，對吊具的尺寸、現(xiàn)場吊裝路徑以及用于就位調(diào)整的工具進(jìn)行反復(fù)模擬，在理論上確保了吊裝安裝工作的安全。在正式吊裝前，還多次組織吊裝方案推演并進(jìn)行吊裝試驗，確保調(diào)整工具和支撐工具狀態(tài)安全可用。

“我有一個美麗的愿望，長大以后能播種太陽......到那個時候，世界每一個角落，都會變得，都會變得溫暖又明亮......”如果“人造太陽”商業(yè)聚變得以實現(xiàn)，那么這一代人很可能在有生之年看到能源的徹底革命，我們拭目以待吧！