再造太陽：“終極能源”初現(xiàn)曙光？

徐乃帥

2023年1月5日，法國，建設(shè)中的ITER項(xiàng)目

大地被清新的綠意所覆蓋，天空上是樹狀延伸的恢弘城市，數(shù)不清的飛行交通工具穿梭其中；地球成為了人類的理想樂土，饑餓被消滅，戰(zhàn)爭不復(fù)存在，人類將視線投向了太空；蒼穹的盡頭，無數(shù)龐大的戰(zhàn)艦正在宇宙中巡航，人類的足跡早已踏遍太陽系每一個(gè)角落……

這是劉慈欣在其科幻小說《三體II：黑暗森林》中所描繪的未來圖景。在那個(gè)尖端物理科技依舊被“智子”所封鎖的年代，人類依靠某個(gè)“永動(dòng)機(jī)”般的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了不可思議的蛻變。

這項(xiàng)技術(shù)，名為可控核聚變。

這是科幻作品中最經(jīng)常出現(xiàn)的概念之一，然而距離人類首次試圖去實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)，迄今已有將近百年?，F(xiàn)實(shí)與幻想的差距，仿佛是有著一個(gè)難以撼動(dòng)的“永遠(yuǎn)的50年”的壁壘。

不過就在近期，隨著一個(gè)重磅消息的傳來，可控核聚變技術(shù)的應(yīng)用，似乎終于變得不再那么遙不可及。

2023年12月29日，可控核聚變未來產(chǎn)業(yè)推進(jìn)會(huì)在中國成都召開，由中核集團(tuán)牽頭成立了可控核聚變創(chuàng)新聯(lián)合體。會(huì)上表示，今年以來，國務(wù)院國資委啟動(dòng)實(shí)施未來產(chǎn)業(yè)啟航行動(dòng)，明確可控核聚變領(lǐng)域?yàn)槲磥砟茉吹奈ㄒ环较颉?/p>

“唯一”一詞，無疑令人充滿了遐想。

20世紀(jì)50年代，科幻大師艾薩克·阿西莫夫開始了“銀河帝國”系列的寫作。他在其數(shù)百萬字的系列作品中，構(gòu)想人類開啟了恢弘的星際殖民運(yùn)動(dòng)，建立了一個(gè)統(tǒng)治著2500萬個(gè)行星、疆域橫跨十萬光年、總計(jì)數(shù)兆億人口的龐大帝國—這幾乎是科幻小說對人類命運(yùn)作出的最浪漫預(yù)言。

而彼時(shí)的現(xiàn)實(shí)世界，二戰(zhàn)硝煙還未散去，冷戰(zhàn)鐵幕已然拉開，世界上大部分地區(qū)都還深陷饑餓、貧困之中……在悲觀的現(xiàn)實(shí)圖景下，以阿西莫夫?yàn)榇淼目苹米骷覀?，卻敏銳地捕捉到了某個(gè)關(guān)鍵的變量：核能。

原子彈在終結(jié)二戰(zhàn)的同時(shí)，也向世人展示了核能的巨大潛力。當(dāng)時(shí)運(yùn)用可控核裂變發(fā)電的技術(shù)，已初現(xiàn)曙光。

寫作于同一年代，科幻大師羅伯特·A.海因萊因的小說《星際迷航》中，燃料不再成為星際探索的枷鎖，人類隨時(shí)可以離開擁擠的地球，前往廣袤的星海中遨游。

核能，當(dāng)之不愧地成為了此類科幻作品最重要的“地基”。

然而現(xiàn)實(shí)中，從上世紀(jì)60年代到80年代，可控核裂變發(fā)電技術(shù)趨于成熟，其內(nèi)在的諸多難題也逐漸浮現(xiàn)出來：原料稀缺、廢料難以處理，其反應(yīng)過程具有危險(xiǎn)性，稍微不慎就能釀成災(zāi)禍……哪怕是直到現(xiàn)在，全球核電發(fā)電比例，也只達(dá)到了10%。

很自然地，理論上更安全、清潔、效益更高的可控核聚變技術(shù)，成為了如今能源領(lǐng)域的“圣杯”。

最重要的是，核聚變反應(yīng)的原料可謂是“取之不竭”。以最容易實(shí)現(xiàn)的“氘氚聚變”為例，“氘”元素在海水中的儲(chǔ)量約為7乘以10的17次方噸，“氚”則可以通過中子轟擊自然界中廣泛存在的“鋰”元素來產(chǎn)生；同時(shí)，“氘氚聚變”的過程正好會(huì)釋放出一個(gè)中子，可以用于生成“氚”元素。

根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程式“E=mc2”，核聚變釋放的能量，可達(dá)到核裂變的4倍、燃燒煤和天然氣的400萬倍。

在理想狀態(tài)下，每秒只用消耗少于3克重量的反應(yīng)原料，就能夠支撐起當(dāng)下全世界的發(fā)電量。而地球上反應(yīng)原料的儲(chǔ)量，即使是用量再大上幾個(gè)數(shù)量級，直到50億后太陽熄滅的那一天，都不會(huì)被耗盡。

電視劇《星際迷航：奇異新世界》劇照

2021年4月28日，安徽合肥，科研人員正在全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置真空室安裝高場側(cè)瓦片

全球核電發(fā)電比例，也只達(dá)到了10%。

這也就意味著，可控核聚變發(fā)電技術(shù)一旦真正實(shí)現(xiàn)，人類將進(jìn)入“無限能源”的時(shí)代，文明進(jìn)程將迎來前所未有的飛躍。

屆時(shí)，許多科幻小說所構(gòu)想的未來圖景將成為現(xiàn)實(shí)：人類的工業(yè)水平將獲得跨越式發(fā)展，人類的生活水平將獲得極大提升，所有因能源而產(chǎn)生的爭端都將被暫時(shí)擱置，地球上的每一寸土地都將被充分利用。最終，人類的視線將投向宇宙，去擁抱那無盡的星辰大海。

而現(xiàn)在，抱著對美好未來的憧憬，人類正竭盡所能地去取得“圣杯”。

1985年，時(shí)任蘇共中央總書記的戈?duì)柊蛦谭蛳蛎绹l(fā)出倡議，簽訂可控核聚變項(xiàng)目的合作研究協(xié)議，以減少因爭奪能源可能引發(fā)的國際爭端。

以此為伊始，“國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃”（ITER）成為了全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國際科研合作項(xiàng)目。目前，項(xiàng)目的參與者有歐盟、美國、中國、俄羅斯、日本、韓國、印度。

ITER項(xiàng)目的選址，位于法國南部的一個(gè)小鎮(zhèn)圣保羅-萊迪朗斯。來自世界各地的頂尖工程師和技術(shù)人員，鼎力合作，計(jì)劃在2025年完成全球上最大的“人造太陽”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的初步建設(shè)。

之所以被稱為“人造太陽”，是因?yàn)楹司圩兊脑?，和太陽?nèi)部的情況極為相似：在高溫之下，氘和氚反應(yīng)產(chǎn)生氦和中子，并釋放出大量能量。另一方面來說，太陽是地球上幾乎所有能源的直接或間接來源，“人造太陽”代表著人類從更多維度上獲取能源的偉大嘗試。

大道至簡，然而再造一個(gè)“太陽”，需要鬼斧神工般的精密雕琢。

首先，核聚變需要在極端高溫高壓的條件下才能發(fā)生。現(xiàn)階段人類無法模擬出太陽內(nèi)部那樣的高壓環(huán)境，而在常壓情況下，反應(yīng)的溫度需要達(dá)到1.5億攝氏度，即太陽核心溫度的10倍。

在成功達(dá)到1.5億度的高溫后，“容器”成為了最難解決的問題。在人類已知的物質(zhì)中，熔點(diǎn)最高的也僅有4215℃。

幾十年來，科學(xué)家論證、嘗試了無數(shù)“容器”，確認(rèn)了“托卡馬克裝置”是最可靠的一種方案：該裝置的目標(biāo)是通過制造強(qiáng)大的磁場，將變成“等離子體”的反應(yīng)原料“磁約束”在裝置內(nèi)部的真空內(nèi)腔中，在精密的控制下，保證反應(yīng)物不會(huì)直接和“容器”接觸。

而ITER正在制造的“托卡馬克裝置”，正是一個(gè)包含近百萬個(gè)組件、總重2.3萬噸的龐然大物，重量相當(dāng)于3個(gè)半埃菲爾鐵塔。

為了保證性能，在找到更好的超導(dǎo)材料之前，“托卡馬克裝置”外部的超導(dǎo)磁體需要在接近絕對零度的-270℃（液氦溫度）環(huán)境下運(yùn)行—相比裝置內(nèi)部的1.5億度，這是真正“冰火兩重天”般的溫差。

毫無疑問，這將會(huì)是一個(gè)凝聚了人類文明最尖端智慧的“科技奇觀”。

據(jù)推算，ITER項(xiàng)目估計(jì)已累計(jì)投入超過600億歐元，是最燒錢的國際科研合作項(xiàng)目之一。

但在另一方面，縱然ITER被全人類寄予厚望，它也不可能不受到現(xiàn)實(shí)環(huán)境的影響。由于經(jīng)濟(jì)、政治等因素，ITER曾多次被迫延期甚至停擺。而按照ITER的目前的時(shí)間表，它需要等到2035年才能真正開始實(shí)驗(yàn)。

在世界經(jīng)濟(jì)整體低迷、區(qū)域沖突持續(xù)不斷的當(dāng)下，ITER項(xiàng)目能否在這十幾年間順利進(jìn)行，實(shí)則頗為令人擔(dān)憂。

值得一提的是，在ITER項(xiàng)目前景尚未明朗的2023年，可控核聚變技術(shù)依然取得了許多重大進(jìn)展。

2023年，美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）宣稱，在不同于“托卡馬克裝置”的另一條路徑上，多次實(shí)現(xiàn)了可控核聚變的“點(diǎn)火”（即實(shí)現(xiàn)了能量的凈增益）。項(xiàng)目的首席女科學(xué)家安妮·克里徹憑借這一里程碑式的成就，成功入選《自然》雜志年度十大科學(xué)人物。

科學(xué)家安妮·克里徹（右）

核聚變釋放的能量，可達(dá)到核裂變的4倍、燃燒煤和天然氣的400萬倍。

“人造太陽”代表著人類從更多維度上獲取能源的偉大嘗試。

新一代人造太陽“中國環(huán)流三號(hào)”

該點(diǎn)火裝置總花費(fèi)約40億美元，包含了6萬個(gè)高科技組件。許多數(shù)十噸重的設(shè)備，安裝誤差必須小于100微米；設(shè)備運(yùn)行時(shí)需要在長達(dá)1公里的廠房內(nèi)，讓92門激光在1納秒內(nèi)同時(shí)發(fā)射。

2023年4月，中國的“東方超環(huán)”全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到了403秒，突破了此前同樣是它創(chuàng)下的101秒的紀(jì)錄；幾乎同時(shí)，韓國聚變能源研究院宣布，該國的托卡馬克試驗(yàn)裝置，已成功維持高達(dá)1億度的高溫等離子體達(dá)到20秒，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。

新技術(shù)發(fā)展過程中，每一個(gè)技術(shù)細(xì)節(jié)的研究迭代、每一秒維持時(shí)間的延長，都需要人類付出超乎想象的努力。

8月，新一代人造太陽“中國環(huán)流三號(hào)”首次實(shí)現(xiàn)100萬安培等離子體電流下的高約束模式運(yùn)行。12月，負(fù)責(zé)該研究裝置的核工業(yè)西南物理研究院與ITER簽署協(xié)議，宣布“中國環(huán)流三號(hào)”面向全球開放，分享相關(guān)研究成果，并邀請全世界科學(xué)家來中國集智攻關(guān)。

經(jīng)過這些年的追趕，中國事實(shí)上走在了全球前列。

2018年，中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（CFETR）落地合肥，計(jì)劃于2035年建成中國最大的聚變工程實(shí)驗(yàn)堆，并啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)，然后于2050年實(shí)現(xiàn)可控核聚變的商業(yè)應(yīng)用。

這個(gè)時(shí)間表，某種意義上正好和ITER形成了競爭關(guān)系。而此次可控核聚變領(lǐng)域，被中國確定為未來能源的唯一方向，以及可控核聚變創(chuàng)新聯(lián)合體成立的相關(guān)消息，猶如撥云見日，給該領(lǐng)域的研究注入了一針強(qiáng)心劑。

“唯一方向”意味著，中國將發(fā)揮自身的各項(xiàng)優(yōu)勢，毫不猶豫地加大研究投入，集中力量攻克技術(shù)難關(guān)。

隨著相關(guān)研究的持續(xù)推進(jìn)，這兩年間，不少國家紛紛推出了自己的可控核聚變研究計(jì)劃，將原有的時(shí)間表大幅度提前。同時(shí)，國內(nèi)外民間資本也開始關(guān)注并涌入這一嶄新的“賽道”，在部分研究項(xiàng)目的宣傳中，甚至將實(shí)現(xiàn)商業(yè)化可控核聚變的時(shí)間定在了2030年—其是否可靠姑且不論，從全人類發(fā)展的角度來講，這種內(nèi)卷的趨勢，或依舊是一件值得鼓勵(lì)的事情。

在科研領(lǐng)域，想找到那條正確的道路，必然要經(jīng)歷無數(shù)次的“試錯(cuò)”。因此，人類什么時(shí)候才能真正駕馭“人造太陽”，目前尚無確切的說法。但“永遠(yuǎn)的50年”這一魔咒或已破除，曙光已然顯現(xiàn)，正如“托卡馬克裝置”之父、蘇聯(lián)物理學(xué)家阿齊莫維奇所說過的那樣—

“當(dāng)整個(gè)社會(huì)都需要的時(shí)候，聚變就會(huì)實(shí)現(xiàn)?！?/p>

責(zé)任編輯吳陽煜 wyy@nfcmag.com