5月28日，有“人造太陽(yáng)”之稱的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置取得新突破，成功實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運(yùn)行，創(chuàng)造了托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行新的世界紀(jì)錄。

地球萬(wàn)物生長(zhǎng)所依賴的光和熱，源于太陽(yáng)核聚變反應(yīng)后釋放的能量。幾十億年來(lái)，太陽(yáng)通過(guò)核聚變，不斷地向外輻射著能量。而支撐這種聚變反應(yīng)的燃料氘，在地球上的儲(chǔ)量極其豐富，足夠人類利用上百億年。如何模仿這一原理，建造一個(gè)源源不斷提供清潔能源的“人造太陽(yáng)”，讓人類能夠徹底實(shí)現(xiàn)能源自由呢？如今隨著 “人造太陽(yáng)”技術(shù)不斷取得進(jìn)展，人類的聚變夢(mèng)正在一點(diǎn)點(diǎn)變成現(xiàn)實(shí)。

“核聚變能”掀起能源革命

說(shuō)起核聚變，了解的人可能不多。但實(shí)際上，我們天天見(jiàn)證著核聚變，太陽(yáng)就是一個(gè)巨大的核聚變反應(yīng)裝置。在太陽(yáng)的中心，溫度高達(dá)1500萬(wàn)攝氏度，氣壓達(dá)3000多億個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，在這樣的高溫、高壓條件下，氫原子核聚變成氦原子核，并放出大量能量。幾十億年來(lái)，太陽(yáng)通過(guò)核聚變，不斷地向外輻射著能量，照耀著大地。

核能是人類歷史上的一項(xiàng)偉大發(fā)現(xiàn)，主要通過(guò)裂變、聚變、衰變?nèi)N方式釋放能量。其中，原子彈、核電站均采用的是核裂變技術(shù)，核電的廣泛利用已深刻影響到當(dāng)今世界能源版圖?！昂司圩兡芫褪悄７绿?yáng)的原理，使兩個(gè)較輕的原子核結(jié)合成一個(gè)較重的原子核，并釋放巨大能量?！敝袊?guó)工程院院士萬(wàn)元熙介紹。1952年，世界第一顆氫彈爆炸之后，人類制造核聚變反應(yīng)成為現(xiàn)實(shí)，雖然那只是不可控的瞬間爆炸，但點(diǎn)燃了人類安全利用這一巨大能量的夢(mèng)想。從那時(shí)開(kāi)始，全世界的科學(xué)家們就一直在尋找途徑，力求實(shí)現(xiàn)可以控制的核聚變能。全超導(dǎo)“托卡馬克”實(shí)驗(yàn)裝置，就是人類為實(shí)現(xiàn)這一夢(mèng)想而建造的試驗(yàn)平臺(tái)。

核聚變能為何有如此巨大的魅力？“這是由于其具有無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)?！敝锌圃旱入x子體物理研究所研究員徐國(guó)盛說(shuō)。當(dāng)前，全球依賴的主要能源是煤、石油、天然氣等化石能源，這些傳統(tǒng)能源不僅會(huì)造成污染，而且終有被耗盡的一天。核聚變的燃料氘在海水中大量存在，每升海水中含30毫克氘，完全聚變所釋放的能量，相當(dāng)于燃燒340升汽油；地球上僅海水中就含有45萬(wàn)億噸氘，足夠人類使用上百億年，比太陽(yáng)的壽命還要長(zhǎng)。聚變需要的另一種燃料是鋰，地球上鋰的儲(chǔ)量約有2000多億噸，也可謂取之不盡、用之不竭。

1986年，前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站核泄漏事故，曾造成數(shù)萬(wàn)人死亡，至今仍讓人心有余悸?！芭c核裂變不同的是，核聚變的燃料和產(chǎn)物不具放射性，而且很容易通過(guò)取消核反應(yīng)條件終止反應(yīng)，因此不存在失控、核泄漏及核廢料等安全問(wèn)題?！毙靽?guó)盛表示。此外，核聚變能還是一種清潔能源，并不會(huì)像燃燒化石燃料那樣釋放二氧化碳等污染物。

一億度高溫如何承載

制造“人造太陽(yáng)”面臨一個(gè)突出的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題：用什么容器來(lái)承載核聚變？要在地球上利用核聚變能量，在人工控制條件下等離子體的離子溫度需達(dá)到1億攝氏度以上。而目前地球上最耐高溫的金屬材料鎢的熔化溫度是3000多攝氏度。這意味著，找不到盛裝如此高溫等離子體的容器。

徐國(guó)盛介紹，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1億攝氏度以上。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。也只有在這樣的高溫下，聚變物質(zhì)氘和氚才能高效發(fā)生核聚變，釋放出巨大的能量，同時(shí)消耗的能量相對(duì)較少。也就是說(shuō)，可以用較少的能量消耗獲取最大的聚變能供人類使用。第二，充分的約束。即將高溫等離子體維持相對(duì)足夠長(zhǎng)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。當(dāng)?shù)入x子體溫度上升到幾千萬(wàn)甚至上億攝氏度時(shí)，任何固體材料都將熔毀。因此，需要用特殊形態(tài)的磁場(chǎng)把由氘、氚等原子核及自由電子組成的一定密度的高溫等離子體約束在有限體積內(nèi)，使之脫離器壁并限制其熱導(dǎo)，這是實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷司圩兊闹匾獥l件。

“打個(gè)比方，我們就是用一個(gè)‘磁籠子’來(lái)裝上億攝氏度高溫的等離子體，這個(gè)磁約束難度很大，不過(guò)我們已經(jīng)成功地做到了?！毙靽?guó)盛說(shuō)，“2008年3月超導(dǎo)托卡馬克物理實(shí)驗(yàn)連續(xù)重復(fù)實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)400秒的高溫等離子體放電，電子溫度超過(guò)1000萬(wàn)攝氏度，2016年等離子體中心溫度達(dá)到5000萬(wàn)攝氏度，2017年達(dá)到8000萬(wàn)攝氏度，2018年我們達(dá)到了1億攝氏度，并持續(xù)了20秒！現(xiàn)在我們又成功實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運(yùn)行！”

我們離實(shí)現(xiàn)核聚變目標(biāo)還有多遠(yuǎn)

1.2億攝氏度高溫實(shí)現(xiàn)了，百秒量級(jí)的高溫等離子體放電也實(shí)現(xiàn)了，意味著我們初步攻破了擋在熱核聚變路上的一些難關(guān)，但離人類最終實(shí)現(xiàn)聚變能的商用，還有很長(zhǎng)的路要走。未來(lái)聚變堆中核聚變的優(yōu)化溫度在1億到2億攝氏度左右，在這個(gè)溫度環(huán)境下，聚變物質(zhì)可以高效發(fā)生核聚變，從而產(chǎn)生源源不斷的聚變能。

雖然高溫等離子體被強(qiáng)大的磁場(chǎng)像“磁籠子”一樣約束在環(huán)形真空裝置中，短時(shí)間不會(huì)對(duì)核聚變實(shí)驗(yàn)裝置的外壁造成損害，但時(shí)間一長(zhǎng)，這種損害就不可避免。因?yàn)榈入x子體中不斷有大量能量輸運(yùn)出來(lái)，沉積到器壁的內(nèi)表面?！叭绾巫屍鞅诘膬?nèi)表面長(zhǎng)時(shí)間耐受這種高能量的轟擊，讓核聚變裝置實(shí)現(xiàn)等離子體高溫高約束下的長(zhǎng)久運(yùn)行是我們面臨的最艱巨挑戰(zhàn)，也是我們接下來(lái)要研究的重要課題。”徐國(guó)盛說(shuō)，“其實(shí)我們已經(jīng)在這方面有了成功的探索，比如2017年，我們?cè)谖锢韺?shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的101.2秒穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)脈沖高約束等離子體運(yùn)行，當(dāng)時(shí)的等離子體溫度是5000萬(wàn)攝氏度，我們的器壁耐受住了考驗(yàn)，現(xiàn)在我們實(shí)現(xiàn)了1.2億攝氏度的高溫，并且持續(xù)了101秒，器壁也耐受住了考驗(yàn)！然而這只是短時(shí)間的考驗(yàn)，未來(lái)我們要達(dá)到更長(zhǎng)時(shí)間的高溫等離子體運(yùn)行，就不僅要在工程上，而且要在物理機(jī)制上找到更好的解決方案，從而實(shí)現(xiàn)聚變裝置在高溫高約束下的長(zhǎng)久運(yùn)行。”

目前，由歐盟、美、日、俄、中、韓、印七方共同承擔(dān)的國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃，是全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國(guó)際科技合作項(xiàng)目之一。徐國(guó)盛表示，EAST（全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置）雖然規(guī)模比ITER小，但EAST使用了與ITER類似的先進(jìn)技術(shù)。更為重要的是，EAST至少比ITER早投入實(shí)驗(yàn)運(yùn)行10年至15年，將為ITER計(jì)劃積累寶貴經(jīng)驗(yàn)。

為了加快核聚變能的早日商用，2018年初，我國(guó)啟動(dòng)了中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆(CFETR)建設(shè)的工程設(shè)計(jì)，并在合肥三十崗建設(shè)聚變堆主機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)綜合性研究設(shè)施。作為聚變堆的研發(fā)平臺(tái)，該設(shè)施將主要研發(fā)聚變堆關(guān)鍵部件的原型件及其測(cè)試平臺(tái)?！皬腅AST實(shí)驗(yàn)裝置到中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆，我們所做的每一件事都是人類之前沒(méi)有做過(guò)的。我相信，假以時(shí)日，科研人員一定能逐步解決未來(lái)聚變堆核心科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題，讓取之不盡、用之不竭的清潔聚變能造福人類。”徐國(guó)盛說(shuō)。（記者 汪永安）