人類從未停止過對更高效更清潔能源的探索，其中核聚變能被認為是終極選擇之一。為推進可控核聚變研究，各國聯(lián)合推動了國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃。
近日在科技部舉辦的中國加入ITER計劃十周年紀念活動上，科學家就“核聚變是能源的美好未來嗎”等話題進行了探討。
僅在海水中就有超過45萬億噸氘，釋放的能量足夠人類使用上億年
原子核中蘊藏巨大的能量，從一種原子核變?yōu)榱硗庖环N原子核往往伴隨著能量的釋放。核聚變能是兩個較輕的原子核結(jié)合成一個較重的原子核時釋放的能量，聚變的主要燃料是氫的同位素——氘和氚。
太陽發(fā)光發(fā)熱的原理正是核聚變反應(yīng)。中國國際核聚變能源計劃執(zhí)行中心主任羅德隆說，太陽的中心溫度極高，氣壓達到3000多億個大氣壓，在這樣的高溫高壓條件下，氫原子的兩個“同胞兄弟”——氘和氚聚變成氦原子核，并放出大量能量?！疤柂q如一個巨大的核聚變反應(yīng)裝置，幾十億年向外輻射能量?！?/p>
不過，由于聚變能量實在太大，人類要加以利用，就必須對它進行控制，這也是科學家一直努力的目標。
核聚變應(yīng)用前景廣闊。首先，核聚變原料十分豐富。據(jù)測算，每升海水中含有0.03克氘，經(jīng)過核聚變可提供相當于300升汽油燃燒后釋放出的能量。因此僅在海水中就有超過45萬億噸氘，釋放的能量足夠人類使用上億年。其次，核聚變反應(yīng)過程不產(chǎn)生污染環(huán)境的硫、氮氧化物，不釋放溫室效應(yīng)氣體。此外，聚變堆的安全性還非常高。
“核聚變能具有資源豐富、安全、清潔、高效等多種優(yōu)點，能基本滿足人類對于未來理想終極能源的各種要求?！?羅德隆說。
科學家設(shè)想，如果發(fā)明一種裝置，能夠控制氘和氚聚變，并穩(wěn)定持續(xù)輸出能量，那就相當于人造了一個“太陽”。專家認為，如果在民用上能實現(xiàn)可控，將徹底改寫人類的能源版圖。
不過，核聚變反應(yīng)原理看上去雖然非常清晰，但要實現(xiàn)受控熱核聚變反應(yīng)卻非常困難。
羅德隆說，實現(xiàn)受控熱核聚變反應(yīng)至少要滿足兩個苛刻條件。第一，極高的溫度。氘核與氚核間發(fā)生聚變反應(yīng)時，溫度須達到5000萬攝氏度以上。這種在極高溫度下才能發(fā)生的聚變核反應(yīng)也稱熱核反應(yīng)。在如此高溫下，物質(zhì)已全部電離，形成高溫等離子體。第二，充分的約束。即將高溫等離子體維持相對足夠長的時間，以便充分地發(fā)生聚變反應(yīng)，釋放出足夠多的能量。
“只有這樣，利用聚變反應(yīng)釋放出的能量才可以維持所需的極高溫度，無需再從外界吸收能量，聚變反應(yīng)就能夠永續(xù)進行、為人所用。”羅德隆說。
磁約束核聚變方式在實驗室條件下已接近于成功
上世紀30年代，科學家就提出了聚變的設(shè)想。科學家開始開展受控熱核聚變研究時，曾認為可以很快實現(xiàn)聚變能的應(yīng)用。然而幾十年過去了，相關(guān)研究卻并未達到預(yù)期。
實現(xiàn)受控熱核聚變，首要問題是用什么方法以及如何加熱氣體？因為等離子體溫度需要上升到幾千萬甚至上億攝氏度，而能裝下這么熱的氣體同時又不讓它逃逸的容器，目前還沒有找到。有沒有什么方法，在把氣體加熱成高溫等離子體時又不讓其逃逸或飛散呢？
羅德隆說，目前主流可控核聚變方式主要有磁約束核聚變、激光約束（慣性約束）核聚變、超聲波核聚變。其中，磁約束是利用強磁場約束帶電粒子，構(gòu)造反應(yīng)腔，建成聚變反應(yīng)堆，將聚變材料加熱至數(shù)億攝氏度高溫，實現(xiàn)聚變反應(yīng)。“目前，磁約束核聚變在實驗室條件下已接近于成功，成為國際上主流的研究方向?！?/p>
磁約束的概念由蘇聯(lián)科學家在50年代初提出，并于1954年建成了第一個磁約束裝置?？茖W家將這一形如面包圈的環(huán)形容器命名為“托卡馬克”。
托卡馬克是“磁線圈圓環(huán)室”的俄文縮寫，又稱環(huán)流器。這是一個由封閉磁場組成的“磁籠”，像一個中空的面包圈，可用來約束電離了的等離子體。
“等離子體就被約束在這個‘磁籠’中，像一個中空的面包圈。通過一種特殊的裝置，目前已經(jīng)可以把氘氚的聚變?nèi)剂霞訜岬剿奈鍍|攝氏度，然后在高溫下發(fā)生大量的聚變反應(yīng)。磁約束核聚變又稱為托卡馬克方法?！绷_德隆說。
羅德隆說，幾十年來科學家一直在研究和改進磁場的形態(tài)和性質(zhì)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)長時間的等離子體的穩(wěn)定約束，并解決等離子體的加熱方法和手段，達到聚變所要求的溫度。此外，在此基礎(chǔ)上，解決維持運轉(zhuǎn)所耗費的能量大于輸出能量的問題。
研究可受控聚變，是人類漫長的“夸父逐日”。據(jù)了解，截至目前托卡馬克裝置都是脈沖式的，等離子體約束時間很短，大多以毫秒計算，個別可達到分鐘級。因此，還沒有一臺托卡馬克裝置能夠?qū)崿F(xiàn)長時間的穩(wěn)態(tài)運行。
包括中國、美國、法國等國家在內(nèi)的科學家盡管都在聚變研究上取得了一些突破，但越來越多的研究者們意識到，僅靠一國之力，很難完成受控聚變實驗堆的任務(wù)，ITER計劃由此而生。這一計劃又被稱為“人造太陽”，是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一，其目標是在和平利用聚變能的基礎(chǔ)上，探索聚變在科學和工程技術(shù)上的可行性。
在核聚變領(lǐng)域，我國與國際上基本同步，某些方面甚至領(lǐng)先
2003年2月，我國正式加入ITER計劃談判；2007年，國家批準設(shè)立“ITER計劃專項”；2008年，我國全面開展ITER計劃工作。
我國磁約束核聚變研究歷史，可追溯至五六十年代。
當時，中科院物理所最先建造了一個直線放電裝置和兩個角向箍縮裝置，并于1974年建成了我國第一臺托卡馬克CT—6。此后不久，中科院等離子體物理研究所成立，并于1995年建成HT—7托卡馬克裝置。這是繼法國之后第二個能產(chǎn)生分鐘量級高溫等離子體放電的托卡馬克裝置。
據(jù)悉，中國已先后建成并升級改造了中國環(huán)流器二號A和“東方超環(huán)”（EAST），用于研究等離子體的穩(wěn)態(tài)和先進運行，探索實現(xiàn)聚變能源的工程、物理問題。前者是我國首個帶偏濾器的大型托卡馬克聚變研究裝置，后者是世界首臺全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克核聚變實驗裝置。EAST的建成使我國成為世界上少數(shù)幾個擁有該類型超導(dǎo)托卡馬克裝置的國家。
2017年7月，EAST裝置在世界上首次實現(xiàn)了5000萬攝氏度等離子體持續(xù)放電101.2秒的高約束運行，創(chuàng)造了核聚變的世界紀錄。這一里程碑式的突破，表明在穩(wěn)態(tài)運行的物理和工程方面，我國磁約束核聚變研究走在國際前沿。
羅德隆說，在大力推進自身托卡馬克裝置研制和實驗的同時，我國也積極參與、推動國際熱核聚變實驗堆ITER計劃。
他介紹，ITER的構(gòu)成相當復(fù)雜，需要各項超前技術(shù)。我國陸續(xù)承擔了該計劃18個采購包的制造任務(wù)，涵蓋了ITER裝置幾乎所有的關(guān)鍵部件，制造任務(wù)由幾十家科研院所、企業(yè)承擔。我國在研制過程中取得重大突破，解決了一系列聚變工程關(guān)鍵技術(shù)難題——
2013年8月，我國研制生產(chǎn)出大電流高溫超導(dǎo)直流電纜，這是向國際熱核聚變實驗堆供貨的超導(dǎo)電纜；2016年4月，中國承擔生產(chǎn)和設(shè)計的首個超大部件——脈沖高壓變電站首臺主變壓器，運往ITER設(shè)施的建造地法國；2016年12月，由中核集團西南物理研究院自主研發(fā)制造的國際熱核聚變核心部件——超熱負荷第一壁原型件在國際上率先通過權(quán)威機構(gòu)認證。
“參與ITER項目10年，中國核聚變技術(shù)能力與管理水平大踏步前進發(fā)展。如今，我國在核聚變領(lǐng)域處于與國際同等甚至某些方面領(lǐng)先的地位。”羅德隆說。
羅德隆說，參與建設(shè)ITER的同時，我國也在運用全新的技術(shù)和材料去設(shè)計下一代大型裝置，目前正在對中國聚變工程實驗堆開展前期研究。
ITER計劃
ITER計劃最早在上世紀80年代提出， 1988年由美國、蘇聯(lián)、歐洲共同體和日本共同啟動。經(jīng)過13年的共同努力，耗資約15億美元，在1991年完成概念設(shè)計的基礎(chǔ)上，1998年，4方完成了工程設(shè)計及部分技術(shù)預(yù)研。同年美國因國內(nèi)政策調(diào)整而退出ITER計劃，其余三方繼續(xù)合作對原工程設(shè)計進一步修改完善，于2001年7月完成了ITER工程設(shè)計、最終報告及主要部件的研制。
我國于2003年作為全權(quán)獨立成員正式加入ITER計劃，同期，美國宣布重新加入ITER計劃。此后，韓國和印度分別于2003年6月和2005年12月加入ITER計劃。如今ITER計劃發(fā)展成為了中、歐、印、日、俄、韓、美7方主導(dǎo)，30多個國家共同合作，覆蓋人口超過全球一半，是僅次于國際空間站的國際大科學工程計劃，也是目前世界上規(guī)模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一。
ITER計劃的目標是在法國共同建造一個超導(dǎo)托卡馬克型聚變試驗堆。總共分為建造、運行、去活化、退役4個階段。根據(jù)ITER計劃的部署，2007年至2025年為建造階段；2026年至2037年為運行階段；2037年至2042年為去活化階段。作為世界上第一個大型托卡馬克聚變試驗堆，ITER工程體量巨大。目前在法國南部卡達拉什附近建造的ITER托卡馬克裝置將有10層樓高，保護極低溫部件的第一道屏障外杜瓦尺寸相當于天壇祈年殿。磁體系統(tǒng)共包括18個環(huán)向場線圈，其中一個線圈的重量就與波音747相當。而一個內(nèi)真空室重量比法國埃菲爾鐵塔還重。整個裝置目前仍處在工程建設(shè)階段，預(yù)計在2050年左右實現(xiàn)核聚變能商業(yè)應(yīng)用。
