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来源: 南方日报网络版     时间: 2019-04-25 05:42:28
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  科普作家硬核科普!终极能源“人造太阳”到底是什么?

  “如果将来有一盏灯会被聚变能点亮, 相信这盏灯一定、也必须是在中国! ”

  4月22日,#科幻作家走进新国企#第二站来到中核集团。在核工业西南物理研究院,中国“人造太阳”装置首次对科幻、科普作家开放。据介绍,这个装置的最大意义在于 提供核聚变研究平台,助力开发人类的终极能源。为什么这么说?一起听听科普作家的介绍。

  属于宇宙和未来的能源

  能源是可以为人类生产或生活提供所需的光、热、动力等任一形式能量的资源。作为人类最伟大的发明之一和未来最理想的能源,核能在世界能源体系中扮演着越来越重要的角色。

  什么是核聚变?

  核聚变,顾名思义,是利用原子核聚变反应产生能量。人类最早发现的核聚变反应是太阳内的核反应,它不断地向外辐射能量,向地球输送能源。因此,核聚变也被看作是宇宙的能源。它的好处也是显而易见,比如安全性高,废料处理成本低,原料容易获得等等。

  核聚变的燃料,氢的同位素氘在海水中储量极为丰富,从一升海水中提出的氘,在完全的聚变反应中可释放相当于燃烧300升汽油的能量。核聚变反应堆不会产生污染环境的硫、氮氧化物,更不会释放温室效应气体,而且核聚变反应堆具有绝对的安全性。可以说它是一种无污染,无核废料,资源近乎无限的理想能源。受控核聚变发电的实现将 从根本上解决人类的能源问题。

  这话说起来容易,实践起来谈何容易,太阳是一颗中等质量的恒星,质量相当于地球的N倍,其内部可以达到1500万度的高温和N个大气压的高压,所以能够产生可持续的核反应。而氢弹,其爆炸机理干脆就是 用原子弹当引信,利用原子弹核裂变反应产生的高温高压引发核原料产生聚变反应。

  受控核聚变反可用惯性约束或者磁约束的方式使之发生可控的、安全的核聚变反应,从中获得的热量可以转化为机械能,进而转化为电能,以替代目前广为使用的化石能源。

  五十年的魔咒?

  由于受控核聚变装置的基本物理原理与太阳内部核反应的机理相仿,所以这种装置被形象地称为“人造太阳”。

  作为一个科技爱好者,我听说过 “受控核聚变发电,永远的50年后”的魔咒。这个魔咒说的是,自20世纪50年代受控核聚变原理提出以来,每逢有媒体问到相关专家何时才能实现发电时,专家总说50年后,一个10年又一个10年过去了,直到20世纪末答案仍是这样。

  为何会出现受控核聚变发电“永远的五十年后”魔咒?如何打破这个魔咒?

  带着这个问题,我请教了该研究院的院长刘永。他诚恳地说:

  的确有这个问题,受控核聚变太难了

  现在各国已经联合起来进行技术突破。2007年ITER组织成立。国际热核聚变实验堆(ITER)是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一,规模仅次于国际空间站的国际大科学工程计划。ITER将是世界上第一个聚变实验堆,是最终实现磁约束聚变能商业化必不可少的关键一步!

  ITER是一个 能产生大规模核聚变反应的超导托卡马克,体积接近天坛祈年殿的尺寸,高30米,直径28米,重达1万吨。它将用强磁场约束高温等离子体,最终实现核聚变能量的稳定可控释放,预计在本世界中叶实现核聚变能发电,从而造福人类。

  中国作为理事会“七方”成员之一,与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国共同资助这一项目,承担项目工程建设阶段18个采购包的制造任务。

  中国承担的18个采购包,包括了磁体支撑、校正场线圈系统、磁体馈线系统、气体注入系统、诊断系统等重要组成部分。按计划,该项目所需的 所有大型部件将于2021年到位。ITER总干事认为中国交付相关产品“按时保质”,堪称合作各方的榜样。

  ▲刘永院长讲解核聚变知识

  刘永院长介绍说,研究过程中会遇到许多预想不到的困难,充满不确定性,但挑战与机遇并存。在遇到预想不到的困难的同时,往往也会出现预想不到的发现与进展,这也是研究的乐趣所在,现在看来经过全世界几代研究者的不懈努力,看到受控核聚变发电的前景,

  不会再用50年了,也许再用30年就可以实现了。

  啥是托卡马克?

  从20世纪40年代末开始,世界各科技强国就开发了多种方式,研究核聚变等离子体的约束方法。在这个过程中,人们对实现可控核聚变难度的认识也逐步加深,1954年,苏联库尔恰托夫原子能研究所发明了具有轴对称磁场位形的托卡马克(Tokamak)装置。

  托卡马克是指环形磁约束受控核聚变实验装置,所以中文又称环流器,它是由一个环形封闭磁场组成的磁笼子,高温高压的等离子体就被约束在这个磁场构成的无形笼子里,这个磁笼的外形很像一个中空的救生圈,等离子体环中能产生一个很大的环电流。

  从20世纪70年代开始,托卡马克这种途径逐渐显出其独特的优越性,并在80年代,成为受控核聚变研究的主流途径。经过近半个世纪的努力,托卡马克已经显示出光明的前景,等离子体约束获得明显效果,温度达到上亿度。而产生核聚变能量的科学可行性已经被证实了,但是相关的成果都是以短脉冲的形式产生的,与实际反应堆连续运行还有很大的距离,而且核聚变反应能否实现氚自持仍然需要实验验证,如果氚自持的难题一旦被攻克,那么我们离商业发电又进了一大步。

  我问刘永的第二个问题是,托卡马克研究进展这么慢,原因在于有可能它并不是最优的受控核聚变装置构型,也许现在各国都对托卡马克产生了技术的路径依赖,而真正适合受控核聚变的技术构型人类还没有探索出来。

  对此,刘永回答说,的确有这种可能,而且包括中国在内的研究核聚变的主要国家也的确都在分出一部分精力在研究其他构型的核聚变装置。目前仅次于托卡马克的装置叫做 仿星器。德国就用一半的核聚变研究经费来研究仿星器构型,这是一种备选的技术方案。不过国际学术界公认的是,虽然托卡马克进展没有那么快,但仍是 目前最有希望成功的可控核聚变装置。

  追日的夸父——中核人

  我国于上世纪90年代制定了“热堆-快堆-聚变堆”三步走的核能发展战略。《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》,将磁约束核聚变列为先进能源技术。《“十三五”国家科技创新规划》,将“磁约束核聚变能发展”列入了战略性前瞻性重大科学问题。

  我国核聚变研究始于50年代,开始是原理性和探索性研究。中核集团核工业西南物理研究院于1965年在四川建立,是我国最早的聚变研究专业院所。 核西物院作为我国参与ITER计划的主要技术支撑和研制任务主要承担单位之一,承担了我国ITER采购包任务中绝大部分涉核部件的研发与加工制造任务。

  从70年代末到80年代初,我国开始在托卡马克型装置上进行了重点研究。于1984年在核工业西南物理研究院建成的中国环流器一号(HL-1)是我国自主设计建造的第一个聚变大科学工程装置,标志着我国受控核聚变研究进入大规模物理实验阶段。

  从控制室出来,穿过一个带有螺旋形楼梯的小隔间,通过一道门,就是容纳“中国环流器二号A(HL-2A)”的“车间”了。

  看到这台机器第一感觉是大,第二感觉是多,说它大是因为它有两层楼那么高,占地面积上百平方米。说它多,是因为各种管路,线圈,电线,机柜围绕在它周围,充满了复杂的技术细节。而就是这台机器,代表了人类驯服太阳力量的尝试。

  我早就看过环流器的图片,也在电视上看过关于它的新闻,今天真正站到它面前,可以说近在咫尺,一时却无法体会它的意义,更无从理解它的原理。

  从能源史的角度看,面对它,相当于我们面对猿人升起的第一堆火、工业革命初期的第一台燃煤锅炉、19世纪的第一口油井……这种类比恐怕还不恰当,可能受控核聚变装置的科技史意义要更为独特。上述能源都是地质年代以来贮存在地壳中的,被植物光合作用凝固的太阳核聚变能。而环流器,则希望跨过那些中间环节,直奔主题。

  给我们讲解的小伙子是核西物院的博士生,我们可以把他和他的同事、老师看作是未来的夸父或者普罗米修斯——把恒星之火平安带到地球的人。

  普通人靠近“太阳”是什么感受?

  我想起赫鲁晓夫在回忆录里写到他第一次看到苏联运载火箭时的感受, “我们这些人像傻子一样,这里看看,那里摸摸,差点就用舌头去舔一舔火箭外壳的味道了”。

  此时,我感觉自己比赫鲁晓夫还要无助。

  我只能碎片式地接受:有的装置是探测核聚变释放出中子的,有的是测量磁场的,有的是为核聚变供电的,有的是进行磁场控制的。

  毕竟受控核聚变不是一个独立的专业,而是一个 高度综合的学科。搞激光的,有搞阀门的,有搞等离子体物理的,有搞材料的,电控的,计算机的,等等等等,太多了……没有任何一个人能掌握关于它的所有知识。而这个研究院号称总师单位,是专门负责系统集成的。核聚变研究也是一个国家科技实力,工业实力的象征。 没有一定水平,是搞不了这个的。

  我只能零星引用一些它的参数,供读者了解中国环流器二号A(HL-2A)的规模。

  首先它的产生的磁场比地磁场强1万倍。其次,它产生的等离子体威力有多强?他们曾经做过等离子体导出实验: 直径10厘米、厚两厘米的铜圆盘,被等离子体击中,不到一秒钟就消失了。并不是被气化了,而且是铜盘被等离子化了。

  另外,上千万度乃至一亿度的等离子体温度是通过间接方法测量出来的。因为 没有仪器可以测量这样的高温。

  普通的燃煤锅炉运行一段时间后,需要熄火打扫炉膛,清除里面的废渣。这台燃烧核聚变燃料的“锅炉”也是这样。科研人员会用辉光放电“打扫”真空室内部。

  温度那么高的等离子体在运行,所有物体固态物质不是都被气化了吗?怎么还会有固体杂质呢?其实等离子体的核心温度有上千万度乃至上亿度,但是 边缘温度会被控制得很低,只有上千度。否则真空腔内壁也会被熔化。

  目前内壁是碳材料,碳耐高温,但活性炭也善于吸附杂质,所以会有等离子体与内壁作用生成的杂质附着在上面,影响实验精度,需要清除。要知道,一丁点杂质就会产生雪崩效应,使得等离子体形态与运动方式发生剧烈变化,结果就是高速粒子轰击到内壁,破坏真空腔。

  这么复杂的装置,一定做过很多次核聚变实验吧?

  是的,听工作人员讲解, 从2003年至2019年,该装置共放电33000次。但每次放电平均时长只有两秒钟。所以,16年来实验总时长还不到24小时(86,400秒)。真正的发电厂可是要24小时不间断运行的。

  参观时,该装置自然没有运行,所以我好奇地问工作人员,装置运行时的感官体验是什么样的?

  他说,从 视觉上来看,只能用摄像头对准真空腔上开的玻璃小窗口,从屏幕上看到里面的情况——红色的火焰——并不感觉温度有多高。

  至于 振动?并没有。但由于实验时磁场启动,而且等离子体高速运行时也会产生电磁场,所以这些金属设备里面会产生涡电流,被这些磁场吸引,金属会产生巨大的扭力,但这些力肉眼是看不到的。因此核聚变装置对于材料学的要求是非常高的。

  至于 听觉嘛,根本听不到任何声音。因为等离子体的密度实在太低了,无法传递人耳可辨别的声音。

  所以让我们设想一下这个装置启动时的样子:

  只有一个小窗透出微弱的闪动的红色火光,四周静悄悄的,只有电机的声音和一些电气设备风扇的嗡嗡声。但你若懂它的工作原理,你会知道所有的金属都在绞着劲儿,紧绷着,抵抗着巨大的磁力。正是这磁力约束着高温的、产生核聚变反应的等离子体。

  把天火永远留在大地上

  我们只在这里停留半天,匆匆过客。

  这个环境里蕴含的信息量太大,普通人脑是无法在这么短时间记住这么多东西的。人的思维和体力都有极限。余生也有涯,而知也无涯。但正是这种存在极限的人联合起来,可以完成这样巨大的科学工程,其复杂程度超出了任何人类个体的认识能力。

  研究院的科研人员从博士毕业算起,至少要在这里工作三十年,还不一定看到可控核聚变商用发电成功的结果。在中国环流器二号A(HL-2A)面前,我们是小过客,他们是大过客。在已经靠核聚变燃烧了五十亿年的太阳面前,人类更是匆匆过客。

  但人类可以代代接力, “子子孙孙无穷匮也”, 把天火永远留在大地上。

  研究院的那些老员工也的确是这样想,也是这样做的。他们相信,这是一项对全人类都有益的事业,而且科学研究的过程不断有新的发现,充满乐趣。他们甘愿把自己的韶华抛洒在这个貌似看不到成功曙光的崇高事业上。

  而对于研究院的新生代而言,他们则对未来十分有信心, “如果将来有一盏灯会被聚变能点亮,相信这盏灯一定、也必须是在中国!”该院的特聘研究员钟武律博士这样说道。

  ▲关于“人造太阳”,听听科学家怎么说。

  自古以来,试图靠近太阳的人好像结局都不是很美妙:夸父逐日,最后饥渴而死;伊卡洛斯和代达罗斯飞向太阳,用蜡粘合的翅膀却被阳光熔化,坠海而死。但他们的英名都永传后世,成为人们 追求希望、力图掌控技术的象征。

  奥斯特洛夫斯基有句名言:“一个人的一生应该这样度过,当他回首往事的时候,不会因为碌碌无为而羞愧,也不会因为虚度光阴而悔恨,这样,在临死的时候,他能够说,我的整个生命和全部精力都已献给世界上最壮丽的事业——为人类的解放而斗争。”

  为人类寻求永不枯竭的清洁、安全能源,不就是人类的解放而斗争吗?这时我理解了,为什么那些老专家谈到可控核聚变的研究事业是长跑, 是接力跑,而不是短跑。这需要一代又一代有志于此的人接力奋斗。

  从这个意义上来说,虽然目前这些围绕在人造太阳周围的科学家仍默默无闻,有的还奉献了全部青春,但是当人造太阳实现应用的那一刻,他们的英名将永远载入科技历史的殿堂中,与夸父和代达罗斯并列。

  最后,我还想到,这个装置核能如何体现丝绸之路精神?仅是这个研究院,每年都有100多人次赴美、日、欧进行学术交流。该院的学术水平,已经从在国际上跟跑、并跑,逐渐向领跑过渡,在某些方面已经达到国际领先地位。显然,没有国际合作、单靠一个国家单打独斗,形不成合力,受控核聚变发电的实现还要推迟很多年。只有秉承 “开放包容、互学互鉴”的丝路精神,这一天才能早日到来。

  背景链接

  4月22日,由中央网信办网评局、国务院国资委宣传局指导,国务院国资委新闻中心联合环球网、果壳、未来事务管理局、新浪微博共同发起的 “科幻作家走进新国企”第二站——“人造太阳”主题活动在中核集团核工业西南物理研究院正式启动。

  3天的行程, 11位科幻科普作家走进中核集团,深入两个中国核工业重量级院所、两个从未开放过的神秘基地,进行调研采风,近距离感受现实版“人造太阳”的聚变力量,切身体会“华龙一号”链式裂变力量是如何造福人类,真正理解钢铁侠的心脏是如何源源不断的提供能量,亲身感受大国重器的工业化力量与美感。


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