探訪人造太陽項目 熱核聚變實驗堆計劃

2017-10-22 14:59?來源 華西都市報-封面新聞

　　探訪人造太陽項目：國際熱核聚變實驗堆計劃，被形象地稱為“人造太陽”項目，科學家預計，人造太陽將于2050年并網發電，核電站新能源逐漸替代傳統能源。

探訪人造太陽項目：10月19日，核工業西南物理研究院內的中國環流器二號裝置。

　　想象著有一天，當地球資源面臨枯竭的時候，人類是否可以使用“人造太陽”來獲取能源？

　　一個集結了包括中國在內的30多個國家的頂尖科學家，目前世界上最大的科學合作工程——國際熱核聚變實驗堆計劃(簡稱“ITER”)正在有條不紊地進行著。由于項目模擬自太陽內部的核聚變原理，這個工程還有一個更加形象的名字：“人造太陽”。

　　視線轉移到成都，在雙流區黃荊路5號——核工業西南物理研究院，一個多達500人的團隊正在為這個項目夜以繼日地忙碌著。

　　去年10月，由“四川團隊”自主研發制造的國際熱核聚變核心部件“第一壁”，在國際上率先通過權威機構認證。這是“四川智慧”對這個被譽為人類歷史上偉大事業之一的項目做出的重大貢獻。

　　10月20日，封面新聞-華西都市報記者走進這個團隊，深度探訪“人造太陽”項目背后的“四川力量”。

　　特 別 提 醒

　　今日封面新聞視頻聚焦“人造太陽”

　　解決人類能源終極問題

　　承擔著為了人類未來的百年甚至幾百年尋找新型清潔能源的使命，涉及30多個國家，世界上最大的科學合作工程——國際熱核聚變實驗堆計劃(簡稱“ITER”)正在多個國家進行著。ITER實驗堆建在法國，建造預算約55億美元；技術方面，中國將承擔其中約9%的研發制造任務——由核工業西南物理研究院、中科院等離子體物理研究所等單位科學家具體承擔。其中，位于成都的核工業西南物理研究院承擔了其中約一半部件研發的重任。什么是“人造太陽”？它將如何解決人類能源的終極問題？請掃碼下載并登錄封面新聞APP，跟隨鏡頭，一同感受這項偉大的科學計劃背后的“四川力量”。

　　能量之大

　　攻關1億℃高溫 實現等離子體可控核聚變

　　萬物生長靠太陽。作為太陽系的主星，太陽內部時刻不停地發生著核聚變反應，為地球提供了源源不斷的光和熱。

　　怎樣才能實現“人造太陽”？科學家想了一個辦法，就是把一團上億℃的等離子體火球，用磁場把它懸浮起來，跟周邊的任何容器材料不接觸。這時，就可以對它加熱、控制，進而實現“受控的核聚變”，實現“人造太陽”。

　　等離子體天性“放蕩不羈”，更喜歡漂泊不定。如何讓其乖乖“受控”？在核工業西南物理研究院，有一個專門的裝置來盛放這一團火球，它就是中國環流器二號A托卡馬克裝置。其主體呈甜甜圈狀，邊緣四周延伸出數十個“觸角”，形似一顆顆星星。裝置內部，由無數根銅導體線圈產生一個封閉的磁場，用來約束分散等離子體的行為。

　　如果把試驗裝置看成一個微波爐，核工業西南物理研究院研究員、高級工程師黃梅的工作就是不斷給這個裝置加溫。給微波爐加溫的方式有很多種，黃梅的方式是其中一種，叫“電子回旋波加熱”。“簡單的說，就是通過微波注入等離子體，給微波爐添把火，讓內部溫度不斷升高，從而讓食物更快熟透。”

　　目前，托卡馬克裝置的溫度已升至5500萬℃，這是迄今為止國內裝置達到的最高溫度。“要實現受控核聚變反應，必須達到上億℃以上高溫，以及足夠高的密度等，如果因某種原因導致條件不能滿足，聚變反應就會停止。”對于黃梅來說，如何持續給裝置加溫，達到“點火”要求，是他們還將繼續面臨的一個課題。

　　40萬億噸氘 將解決人類能源問題

　　上百人的團隊，圍坐在操作大廳里。對著面前兩塊超大屏幕，觀測著相關參數的變化，眼睛都不敢亂眨，生怕漏過任何蛛絲馬跡。

　　這種高度緊張的狀態，工作十年，鐘武律每年都要經歷兩輪。通常是3月至5月的春季實驗、11月到接近農歷新年的冬季實驗。每一次實驗，內部人員稱之為“一炮”。每次實驗由于耗電量非常大，放炮時間通常1至2秒。

　　作為等離子體診斷的“專職醫生”，鐘武律通過每一次實驗，發現等離子在約束過程的變化。兩次放炮間隔很短，只有8分鐘。因此，他們必須在8分鐘內，做出判斷并且調整相關參數的設置。“離子體的變化是非常快的，達到微秒或者毫秒級別。”因此，在行業里有句話，做等離子的分析和物理實驗，沒干夠5年，根本摸不著邊。類似鐘武律這樣的工作，還有更龐雜的分工。

　　如此繁復、浩瀚，為什么要啟動“人造太陽”計劃？在業內人士看來，核能包含兩種方式：核裂變和核聚變。原子彈就是利用的核裂變的原理；氫彈、太陽則是核聚變的原理。人造太陽項目，也就是“受控熱核聚變能源”，由于其固有的安全性、無污染的優越性、燃料資源豐富等特點，被認為是人類最理想的潔凈能源。

　　核工業西南物理研究院聚變科學所副所長許敏進一步解釋說，最容易實現的核聚變能源來自氫的同位素，氘和氚的劇烈反應。一公升海水里提取出的氘，完全聚變反應可釋放相當于燃燒300升汽油的能量。科學家初步估計，地球上的海水中蘊藏了大約40萬億噸氘。另一方面，它的環境可接受性比較好，因為聚變反應，產物是氦，其本身不具有放射性。在科學家們看來，核聚變一直以來被人們視為解決未來能源問題的希望。

探訪人造太陽項目：磁約束核聚變示范堆示意圖

　　什么是人造太陽？

　　把一團上億℃高溫的等離子體火球，用磁場懸浮起來，跟周邊的任何容器材料不接觸。再對它加熱、控制，進而實現“受控的核聚變”，從而實現“人造太陽”。

　　核工業西南物理研究院聚變科學所副所長許敏：

　　研究“人造太陽”的過程中，會產生大量的前沿尖端技術，期待燈泡被核聚變點亮。

　　“人造太陽”核心部件中方項目總工程師王平懷：

　　及時傳走熱量需要一種特殊的結構，僅僅是攻克的兩種材料連接工藝，項目組提交了多達十幾項國家專利申請。

　　核工業西南物理研究院研究員、高級工程師黃梅：

　　等離子體天性“放蕩不羈”，中國環流器二號A托卡馬克裝置專門用來約束分散等離子體的行為。

　　等離子體診斷“專職醫生”鐘武律：

　　離子體的變化達到微秒或者毫秒級別，必須在實驗間隔的8分鐘內，做出判斷并且調整相關參數的設置。

　　“人造太陽”核心部件“第一壁”的中方項目總工程師王平懷，有著一張標準的“科學臉”，亦或是“工科男”面孔。任何的外界喧囂，很難在他臉上驚起太大的波瀾。開口說話時，那種嚴謹到極致的風格，讓急于在談話中尋找爆點的傾聽者，忍不住抓狂。只有當提到“第一壁”時，他的表情才會像解凍的春水，慢慢舒展，臉上流露出無法掩飾的喜悅，一圈圈地蕩漾開來。去年12月，由王平懷團隊自主研發制造的國際熱核聚變核心部件“第一壁”，在國際上率先通過權威機構認證。讓中國落后于美國20年的技術，一躍從“跟跑”實現了“領跑”。

探訪人造太陽項目：機器人正在焊接“人造太陽”核心部件“第一壁”設備。(受訪單位供圖)

　　尋覓 花十年找材料

　　將美國壟斷技術造價降低90%

　　什么是第一壁？實驗裝置中的聚變物質時刻釋放著高強度的熱輻射。核心區最高溫度能達到1億℃，如果材料性能不佳，要么就被高溫瞬間融化，要么就會讓反應堆這座鍋爐熄滅。王平懷說，要構建起“人造太陽”的核心，需要特殊的材料筑起一道“防火墻”，來抵御裝置內部上億℃的高溫環境。在整個國際熱核聚變實驗堆計劃中，多個國家都在研制這樣的高溫核心材料。中國科學家承擔研制的這種材料，處于反應堆最核心位置，直接面對高溫聚變物質，因而被稱為反應堆的“第一壁”。2006年，中國正式加入ITER，接受了研制熱核聚變反應堆核心部件的工作。十多年來，過五關斬六將，王平懷團隊開啟了攻克“第一壁”的漫長科研路。王平懷說，尋找“第一壁”，第一關就是材料。面對上億℃高溫的炙烤，任何普通材料瞬間就會灰飛煙滅。當時，業內普遍認為一種特殊的金屬材料耐熱性高，是最佳選擇。彼時，世界上擁有這種材料的高純度提取和制造工藝技術的國家中，美國處于技術壟斷地位。這種高純度金屬材料，一公斤對外銷售超上百萬元人民幣。由于材料的稀缺性，美國只是少量出售。“大部分時候，是有錢都買不到的。”王平懷說。為此，從2004年2013年，團隊成員從高純度金屬材料提取開始，進行了長達十年的特殊材料研制工作。由王平懷所在團隊自主研制的材料問世后，將美國壟斷價格降低了90%。

　　失落 模件決定命運

　　一年半時間失敗十幾次

　　單程將近30個小時的火車，一路從成都平原越過秦嶺之巔，再到塞外的黃沙和肅殺，最后抵達終點站寧夏的一個小城。從2014年到2015年10月，一年多里，這條跨越1300公里的鐵路線，成了王平懷所在項目組32個成員共同的夢魘，項目遇到了真正的低迷期。解決了“第一壁”材料問題后，王平懷們接下來要破解的是結構問題。研制人員想到了一種特殊的結構，把熱量及時地傳走。那是一塊看上去像三明治一樣的結構，底下是不銹鋼，中間是銅合金，上面則是特殊的高純度金屬材料。再用特殊的方法，將這些材料結合到一起。如何將兩個“個性”完全不同的材料，形成一個完整的功能件，成為他們面臨的新難題。“可以說，這也是我們過去五年最痛苦的歷程。”王平懷坦言，兩者的物理性相差實在是太大。上面那層金屬材料是最輕、也是最活潑的堿性金屬元素組成，熱導率比銅和金差了一倍以上。兩者強行連接在一起，會形成一種新的物相，易脆，易斷裂。尤其是2013年底，ITER更改了相關設計，對于“第一壁”的制作要求更加苛刻。

　　這種工藝上的高難度，也讓“第一壁”研發團隊經歷了長達一年多的低迷期。更改設計之后，他們制作的模塊成功率不到20%。

　　王平懷至今記得那段灰暗的日子。由于四川沒有相關的機加工工廠，每次模塊的最終機加工要送到寧夏。每次從設計制作到檢測出來，大概需要三周時間。30小時的旅途，對于送模塊的人來說，疲憊，但是帶著希望。

　　從成都到塞外，風景一路轉變。這一切對于項目組成員來說，任憑風光無限，對他們都毫無意義。包里揣著的那幾公斤模塊件，更像是懷揣著整個項目組的心血和“第一壁”的前途與命運。

　　王平懷記得，每次成員把模塊件拿回來，32個人都會圍著兩個檢測人員。那一刻，空氣好像都凝固了，大氣不敢出，生怕把好運氣吹跑了。檢測的過程很短。很快，人群中的低氣壓便彌漫開來。彼此相視時，有的也只是互相搖頭和嘆氣。“那段時間，組里的氣氛實在太壓抑了。”王平懷說，以至于院里的領導在公開場合都要心照不宣地為他們加油打氣。

　　提交了十多項國家專利申請

　　這樣的氣氛，一直持續到2015年10月1日。

　　那天，人們都在忙于休假，“第一壁”主要成員卻早早地來到了辦公室，等待遠方歸來的王平懷，那一次去寧夏送模塊的正是他。

　　有人自告奮勇去車站接他回來，然后一路小心翼翼地護送他到辦公室。過去的無數次失敗中，該排查和梳理的問題點，都已經排查并且進行了修正，這一次，應該不會再出問題了吧。那天到檢測室的人并不多，只有六七個。王平懷清楚地記得，還是圍著兩個負責檢測的工作人員，空氣再次凝固。這一次，他們終于成功了。壓抑了太久的項目組，氣氛輕松起來，顧不得平時的矜持，大家緊緊擁抱在一起。由于這次創造性的突破，僅僅是他們攻克的兩種材料的連接工藝，項目組就提交了多達十幾項國家專利申請。

　　希望之源

　　核聚變的優勢是顯而易見的，如何真正實現受控的核聚變，以至于未來的并網發電，還有漫長的路要走。

　　“人造太陽”并網發電

　　有望2050年點亮四川人的燈泡

　　到今年為止，國家“青年千人計劃”學者、核工業西南物理研究院聚變科學所副所長許敏，已經在環流器二號A裝置上耕耘了五年。

　　過去五年里，他們取得了很多成就。譬如，實驗裝置的加熱功率至少翻了一倍，加熱手段也更多了。裝置運行時，里面燃料的溫度一般是2000萬~3000萬℃，現在十幾毫秒甚至幾毫秒就可以達到。此外，持續加熱以及尋找諸如構成“第一壁”這樣的高溫耐熱材料，是未來的重要命題。

　　目前，38歲的許敏還在積極培養后備軍，成立了一個由全國各個高校聚變領域的青年學子組成的課題組。他們剛剛初步建成了目前中國最大的直線等離子體裝置，目的在于尋找適合建造核聚變堆的新型耐高溫材料。“還有一個難題，來自于核聚變所需要的除了氘以外的另一種原料氚。氘和氚的劇烈反應，才能發生聚變。”許敏說，氚的半衰期只有12.3年，而每年一個100萬千瓦的核聚變電站發電就要燃燒56公斤的氚。

　　作為地球上最稀有的元素，氚的成本非常高。許敏說，一個最好的辦法，就是在核聚變反應中產生氚，并且使得氚能夠自持。這也就意味著，燃燒掉了多少氚，還要產生出等量的氚來。

　　雖然研究過程耗資高昂，核聚變試驗可能還要幾代人的心血，不過，許敏對于核聚變的發展還是非常樂觀。首先，在研究“人造太陽”的過程中，會產生大量的前沿尖端技術。很多都有廣泛的軍事和商業應用前景。

　　以試驗中使用的高功率微波技術來說，可以廣泛使用到通信領域，實現國產化并能夠節省大量成本。其次，等到核聚變電站能夠并網發電后，核聚變能源的生產成本相對低廉，普通老百姓都能消費得起。“目前業內人士普遍認為這個時間節點是2050年。我算了一下，那個時候，我應該可以看到。”許敏說，期待燈泡被核聚變點亮。

　　1億℃

　　等離子體天性“放蕩不羈”，要實現受控核聚變反應，必須達到上億℃以上高溫，以及足夠高的密度等。目前，核工業西南物理研究院研發的托卡馬克裝置溫度已升至5500萬℃，這是迄今為止國內裝置達到的最高溫度。如何持續給裝置加溫，達到“點火”要求，是繼續面臨的課題。

　　100萬元

　　構建“人造太陽”核心，必須用一種特殊金屬材料筑起防火墻，這種高純度金屬一公斤對外銷售超過上百萬元人民幣。從2004年-2013年，核工業西南物理研究院團隊進行了長達十年的特殊材料研制，如今自主研制的材料問世后，將美國壟斷價格降低了90%。

　　2050年

　　研究過程耗資高昂，核聚變試驗可能還要幾代人的心血。等到核聚變電站能夠并網發電后，核聚變能源的生產成本相對低廉，普通老百姓都能消費得起。目前，業內人士普遍認為這個時間節點是2050年。

編輯： 記者張想玲攝影雷遠東