30年后有望用“人造太陽”供能

樊巍 曹思琦 冷舒眉

“科幻電影《流浪地球2》中描述的‘重核聚變是通過燒石頭的方式實(shí)現(xiàn)行星發(fā)動(dòng)機(jī)的能量供應(yīng)。”近日，全國政協(xié)委員、中核集團(tuán)核聚變領(lǐng)域首席專家段旭如在接受《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者專訪時(shí)表示，從當(dāng)前工程角度來講，“重核聚變”暫時(shí)還不屬于重點(diǎn)研究方向，然而現(xiàn)實(shí)世界人類利用輕核聚變實(shí)現(xiàn)聚變能源的利用指日可待。

人類離“行星發(fā)動(dòng)機(jī)”有多遠(yuǎn)

春節(jié)檔熱門電影《流浪地球2》為人們展現(xiàn)了由“核動(dòng)力”構(gòu)建的科幻場景，1月30日中核集團(tuán)也展示了《流浪地球2》中“行星發(fā)動(dòng)機(jī)”和由中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院牽頭研發(fā)的中國新一代“人造太陽”裝置（HL-2M）以及中國環(huán)流器二號(hào)A（HL-2A）裝置的海報(bào)(如圖)，引發(fā)熱烈討論。電影中的行星發(fā)動(dòng)機(jī)是否真的有據(jù)可循？人類目前的科技水平距離實(shí)現(xiàn)行星發(fā)動(dòng)機(jī)還差多遠(yuǎn)？對(duì)此，段旭如介紹稱，《流浪地球2》中描述的重核聚變是通過“燒石頭”的方式實(shí)現(xiàn)行星發(fā)劫機(jī)的能量供應(yīng)。核聚變?cè)谟钪嬷袩o時(shí)無刻不在發(fā)生，其原理是利用兩個(gè)較輕原子梭的結(jié)合過程中質(zhì)量虧損從而釋放大量能量，最典型的例子就是太陽，時(shí)時(shí)刻刻在發(fā)生輕核聚變反應(yīng)，而電影中“燒石頭”的原料，其相對(duì)原子質(zhì)量要大得多，因此取名為重核聚變。

“然而從當(dāng)前工程角度來講，重核聚變暫時(shí)還不屬于重點(diǎn)研究方向，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)重核聚變的條件比輕核聚變高太多，產(chǎn)生可觀的輕核聚變溫度需要1億攝氏度以上的高溫，而重核聚變所需溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過1億攝氏度，這是目前難以實(shí)現(xiàn)的,”段旭如表示，如果說要用行星發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)地球逃離太陽系，總體來說這是一種基于科學(xué)基礎(chǔ)的美好想象，以目前的技術(shù)條件和技術(shù)路線來說，暫時(shí)無法做到。然而現(xiàn)實(shí)世界人類利用輕核聚變實(shí)現(xiàn)聚變能源的利用指日可待，相信經(jīng)過中國“聚變?nèi)恕钡呐Γ磥砬鍧嵏咝У木圩兡茉匆欢梢暂斔偷角Ъ胰f戶。

“人造太陽”的研發(fā)目標(biāo)是成為示范核聚變電站

2022年11月，全球最大“人造太陽”核心部件“防火墻”在中國取得重大進(jìn)展，國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃增強(qiáng)熱負(fù)荷第一壁完成首件制造，標(biāo)志著中國實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)核心科技全球領(lǐng)跑，有力提升了我國在該領(lǐng)域的話語權(quán)。

在接受《環(huán)球時(shí)報(bào)》采訪時(shí)，段旭如表示，ITER是全球最大“人造太陽”，其模擬太陽內(nèi)部的核聚變反應(yīng)產(chǎn)生能量，要滿足可控核聚變的條件，其燃料粒子的溫度需超過1億攝氏度，且還要產(chǎn)生大量極高能量粒子，關(guān)鍵部件“第一壁”，就是它的“防火墻”，直接面對(duì)燃燒的上億攝氏度等離子體與極高能量的粒子?！癐TER增強(qiáng)熱負(fù)荷第一壁完成首件制造，核心指標(biāo)優(yōu)于設(shè)計(jì)要求，具備批量制造條件,標(biāo)志著中國全面突破ITER增強(qiáng)熱負(fù)荷第一關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)核心科技持綏領(lǐng)跑?！倍涡袢绶Q。

據(jù)段旭如介紹，中國參與ITER項(xiàng)目，一方面是為ITER計(jì)劃貢獻(xiàn)中國智慧和中國力量，另一方面也將極大提高我國核聚變研究水平，中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院作為我國參與ITER計(jì)劃的重要技術(shù)支撐單位，承接了中國ITER關(guān)鍵部件研制任務(wù)絕大部分涉核部件的研制。通過整合國內(nèi)外優(yōu)勢(shì)資源，突破了多項(xiàng)工程技術(shù)難題，建立了ITER相關(guān)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)的技術(shù)規(guī)范和測(cè)試平臺(tái)，極大地提高了我國核聚變技術(shù)水平。

目前國際聚變研究正處于氘-氚燃燒實(shí)驗(yàn)與聚變堆關(guān)鍵核工程技術(shù)研發(fā)階段，段旭如表示，“人造太陽”計(jì)劃下一步重點(diǎn)是從氘-氚燃燒實(shí)驗(yàn)階段逐步向聚變反應(yīng)堆工程與物理實(shí)驗(yàn)階段過渡，最終進(jìn)入示范聚變電站階段和商用聚變電站階段，實(shí)現(xiàn)聚變能和平利用?！爱?dāng)然，這還有一段路需要走，多項(xiàng)工程和技術(shù)需要突破，比如自持燃燒等離子體的控制和運(yùn)行、高耐輻照聚變堆材料、氤自持等，人造太陽將致力于解決聚變堆相關(guān)工程和物理問題，為未來建造聚變示范奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)?！?/p>

中國部分聚變技術(shù)國際領(lǐng)先

人類到底何時(shí)才能實(shí)現(xiàn)可控核聚變商業(yè)化運(yùn)用，一直是公眾關(guān)注的焦點(diǎn)問題。段旭如表示，可控核聚變研發(fā)已經(jīng)從原理探索、大規(guī)模實(shí)驗(yàn)逐步邁入到反應(yīng)堆工程實(shí)驗(yàn)階段，現(xiàn)在我們對(duì)可控核聚變技術(shù)的認(rèn)知愈加清晰，特別是ITER項(xiàng)目的建設(shè)，即將讓第一個(gè)電站規(guī)模的聚變堆成為現(xiàn)實(shí)。

同時(shí)核工程很多技術(shù)有了長足進(jìn)步，讓科研人員更加清楚地認(rèn)識(shí)到未來核聚變電站用到和需要攻克哪些技術(shù)。“若依托現(xiàn)有核科技工業(yè)體系的基礎(chǔ)，凝聚核工程領(lǐng)域具有專業(yè)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)基礎(chǔ)的相關(guān)優(yōu)勢(shì)研究單位和企業(yè)，逐步搭建聚變能的技術(shù)開發(fā)體系和工業(yè)體系，集中力量開展核聚變工程和技術(shù)攻關(guān)，約三十年時(shí)間，也就是到本世紀(jì)中葉，相信人類可以使用上可控核聚變能源?！倍涡袢绶Q。

中國的可控核聚變研兗早在20世紀(jì)50年代就開始了，幾乎與國際上受控核聚變研究同步。2006年，中國、歐盟、美國、俄羅斯、日本、韓國和印度共同簽署了國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃啟動(dòng)協(xié)定，該計(jì)劃是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國際大科學(xué)工程之一。同時(shí)也是中國以平等身份參加的最大國際科技合作項(xiàng)目。段旭如表示，參與ITER的十多年間，中國的聚變研究得到快速發(fā)展，磁約束核聚變研究從過去的跟跑步入并跑階段，部分技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

段旭如稱，我國裝置平臺(tái)建設(shè)和能力提升，如中國環(huán)流器系列裝置和東方超環(huán)等，使得我國磁約束聚變研究實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展，物理實(shí)驗(yàn)不斷取得突破，并推動(dòng)理論和大規(guī)模數(shù)值模擬的發(fā)展。2020年，中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院建成我國新一代“人造太陽”裝置，具備了在堆芯級(jí)條件下開展先進(jìn)物理研究的能力，并于2022年實(shí)現(xiàn)等離子體電流突破100萬安培(1兆安)，創(chuàng)造了我國可控核聚變實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行新紀(jì)錄，技術(shù)水平進(jìn)一步得到提升?！?/p>