人類從未停止過對(duì)更高效更清潔能源的探索，其中核聚變能被認(rèn)為是終極選擇之一。為推進(jìn)可控核聚變研究，各國聯(lián)合推動(dòng)了國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃。
近日在科技部舉辦的中國加入ITER計(jì)劃十周年紀(jì)念活動(dòng)上，科學(xué)家就“核聚變是能源的美好未來嗎”等話題進(jìn)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(yùn)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(gè)較輕的原子核結(jié)合成一個(gè)較重的原子核時(shí)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(jì)劃執(zhí)行中心主任羅德隆說，太陽的中心溫度極高，氣壓達(dá)到3000多億個(gè)大氣壓，在這樣的高溫高壓條件下，氫原子的兩個(gè)“同胞兄弟”——氘和氚聚變成氦原子核，并放出大量能量。“太陽猶如一個(gè)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(shí)在太大，人類要加以利用，就必須對(duì)它進(jìn)行控制，這也是科學(xué)家一直努力的目標(biāo)。
核聚變應(yīng)用前景廣闊。首先，核聚變?cè)鲜重S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(dāng)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(diǎn)，能基本滿足人類對(duì)于未來理想終極能源的各種要求?！?羅德隆說。
科學(xué)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(dāng)于人造了一個(gè)“太陽”。專家認(rèn)為，如果在民用上能實(shí)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(shí)現(xiàn)受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)卻非常困難。
羅德隆說，實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)至少要滿足兩個(gè)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(shí)，溫度須達(dá)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(duì)足夠長的時(shí)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(jìn)行、為人所用?！绷_德隆說。
磁約束核聚變方式在實(shí)驗(yàn)室條件下已接近于成功
上世紀(jì)30年代，科學(xué)家就提出了聚變的設(shè)想?？茖W(xué)家開始開展受控?zé)岷司圩冄芯繒r(shí)，曾認(rèn)為可以很快實(shí)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(dá)到預(yù)期。
實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷司圩?，首要問題是用什么方法以及如何加熱氣體？因?yàn)榈入x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(shí)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(shí)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)?！澳壳?，磁約束核聚變?cè)趯?shí)驗(yàn)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(xué)家在50年代初提出，并于1954年建成了第一個(gè)磁約束裝置。科學(xué)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(gè)由封閉磁場組成的“磁籠”，像一個(gè)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(gè)‘磁籠’中，像一個(gè)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(xué)家一直在研究和改進(jìn)磁場的形態(tài)和性質(zhì)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)長時(shí)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(dá)到聚變所要求的溫度。此外，在此基礎(chǔ)上，解決維持運(yùn)轉(zhuǎn)所耗費(fèi)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(shí)間很短，大多以毫秒計(jì)算，個(gè)別可達(dá)到分鐘級(jí)。因此，還沒有一臺(tái)托卡馬克裝置能夠?qū)崿F(xiàn)長時(shí)間的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。
包括中國、美國、法國等國家在內(nèi)的科學(xué)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(shí)到，僅靠一國之力，很難完成受控聚變實(shí)驗(yàn)堆的任務(wù)，ITER計(jì)劃由此而生。這一計(jì)劃又被稱為“人造太陽”，是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國際科研合作項(xiàng)目之一，其目標(biāo)是在和平利用聚變能的基礎(chǔ)上，探索聚變?cè)诳茖W(xué)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(jì)劃談判；2007年，國家批準(zhǔn)設(shè)立“ITER計(jì)劃專項(xiàng)”；2008年，我國全面開展ITER計(jì)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(dāng)時(shí)，中科院物理所最先建造了一個(gè)直線放電裝置和兩個(gè)角向箍縮裝置，并于1974年建成了我國第一臺(tái)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(gè)能產(chǎn)生分鐘量級(jí)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(jí)改造了中國環(huán)流器二號(hào)A和“東方超環(huán)”（EAST），用于研究等離子體的穩(wěn)態(tài)和先進(jìn)運(yùn)行，探索實(shí)現(xiàn)聚變能源的工程、物理問題。前者是我國首個(gè)帶偏濾器的大型托卡馬克聚變研究裝置，后者是世界首臺(tái)全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。EAST的建成使我國成為世界上少數(shù)幾個(gè)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(shí)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(yùn)行，創(chuàng)造了核聚變的世界紀(jì)錄。這一里程碑式的突破，表明在穩(wěn)態(tài)運(yùn)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(jìn)自身托卡馬克裝置研制和實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，我國也積極參與、推動(dòng)國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER計(jì)劃。
他介紹，ITER的構(gòu)成相當(dāng)復(fù)雜，需要各項(xiàng)超前技術(shù)。我國陸續(xù)承擔(dān)了該計(jì)劃18個(gè)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(dān)。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(shí)驗(yàn)堆供貨的超導(dǎo)電纜；2016年4月，中國承擔(dān)生產(chǎn)和設(shè)計(jì)的首個(gè)超大部件——脈沖高壓變電站首臺(tái)主變壓器，運(yùn)往ITER設(shè)施的建造地法國；2016年12月，由中核集團(tuán)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(fù)荷第一壁原型件在國際上率先通過權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證。
“參與ITER項(xiàng)目10年，中國核聚變技術(shù)能力與管理水平大踏步前進(jìn)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?！绷_德隆說。
羅德隆說，參與建設(shè)ITER的同時(shí)，我國也在運(yùn)用全新的技術(shù)和材料去設(shè)計(jì)下一代大型裝置，目前正在對(duì)中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆開展前期研究。
ITER計(jì)劃
ITER計(jì)劃最早在上世紀(jì)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(dòng)。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(jì)的基礎(chǔ)上，1998年，4方完成了工程設(shè)計(jì)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(jì)劃，其余三方繼續(xù)合作對(duì)原工程設(shè)計(jì)進(jìn)一步修改完善，于2001年7月完成了ITER工程設(shè)計(jì)、最終報(bào)告及主要部件的研制。
我國于2003年作為全權(quán)獨(dú)立成員正式加入ITER計(jì)劃，同期，美國宣布重新加入ITER計(jì)劃。此后，韓國和印度分別于2003年6月和2005年12月加入ITER計(jì)劃。如今ITER計(jì)劃發(fā)展成為了中、歐、印、日、俄、韓、美7方主導(dǎo)，30多個(gè)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(xué)工程計(jì)劃，也是目前世界上規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國際科研合作項(xiàng)目之一。
ITER計(jì)劃的目標(biāo)是在法國共同建造一個(gè)超導(dǎo)托卡馬克型聚變?cè)囼?yàn)堆?？偣卜譃榻ㄔ?、運(yùn)行、去活化、退役4個(gè)階段。根據(jù)ITER計(jì)劃的部署，2007年至2025年為建造階段；2026年至2037年為運(yùn)行階段；2037年至2042年為去活化階段。作為世界上第一個(gè)大型托卡馬克聚變?cè)囼?yàn)堆，ITER工程體量巨大。目前在法國南部卡達(dá)拉什附近建造的ITER托卡馬克裝置將有10層樓高，保護(hù)極低溫部件的第一道屏障外杜瓦尺寸相當(dāng)于天壇祈年殿。磁體系統(tǒng)共包括18個(gè)環(huán)向場線圈，其中一個(gè)線圈的重量就與波音747相當(dāng)。而一個(gè)內(nèi)真空室重量比法國埃菲爾鐵塔還重。整個(gè)裝置目前仍處在工程建設(shè)階段，預(yù)計(jì)在2050年左右實(shí)現(xiàn)核聚變能商業(yè)應(yīng)用?！?/p>
