深圳特區報2019年7月17日訊 （記者李劍輝 王劍鋒 李麗 秦綺蔚/文 何龍 邢峻豪/圖）人造太陽(yáng)，不是掛在天空，而是以超導磁場(chǎng)約束，通過(guò)波加熱，讓等離子氣體達到上億度的高溫，發(fā)生聚變的大科學(xué)裝置，就像太陽(yáng)一樣，為人類(lèi)提供源源不斷的能量。
在合肥的科學(xué)島上，中國的“人造太陽(yáng)”——“東方超環(huán)”率先實(shí)現一億度的超高溫，實(shí)現了101.2秒穩態(tài)長(cháng)脈沖高約束等離子體運行，在聚變這個(gè)全球競爭的科學(xué)頂峰攀登賽中，一直保持著(zhù)領(lǐng)先。中國的目標，是點(diǎn)亮人類(lèi)核聚變的第一盞燈。
“聚變是全人類(lèi)的夢(mèng)想?！边@是李建剛對中國力量采訪(fǎng)組說(shuō)的第一句話(huà)。
李建剛是中國工程院院士，中國磁約束聚變專(zhuān)家委員會(huì )召集人，曾任中國科學(xué)院等離子體物理研究所所長(cháng)，在合肥西郊的科學(xué)島上深耕近40年，致力于核聚變研究，是國家重大科學(xué)工程“EAST超導托卡馬克聚變裝置”輔助加熱系統的負責人。EAST裝置也被稱(chēng)為“東方超環(huán)”，是我國自主設計建造的、世界上第一個(gè)非圓截面全超導托卡馬克核聚變實(shí)驗裝置。
簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，因為這個(gè)裝置的目標是實(shí)現億度超高溫的核聚變，其能量爆發(fā)與太陽(yáng)類(lèi)似，也被稱(chēng)為人造太陽(yáng)。目前EAST已經(jīng)實(shí)現了電子溫度1億度的超高溫并持續幾秒鐘。
控制大廳的外墻上，掛著(zhù)8塊牌子，其中兩塊是“國際聚變能聯(lián)合中心”“世界實(shí)驗室核聚變中心”?！翱茖W(xué)無(wú)國界，核聚變研究可能是全世界科學(xué)家合作最好的一件事?！崩罱▌傉f(shuō)。
一筆劃算的買(mǎi)賣(mài)：400萬(wàn)物資換來(lái)T7
核聚變是全世界能源發(fā)展的前沿方向，簡(jiǎn)單說(shuō)就是質(zhì)量小的原子，主要是指氘，在超高溫高壓下碰撞，發(fā)生互相聚合，生成新的質(zhì)量更重的原子核，比如氦。前蘇聯(lián)科學(xué)界發(fā)明了托卡馬克后，在1958年對全世界解密，包括中國在內的多個(gè)國家都陸續開(kāi)展了對該領(lǐng)域的研究。
一個(gè)偶然的機會(huì )，讓中國的托卡馬克有了飛躍的機遇。
“上世紀90年代，在前蘇聯(lián)解體之前，蘇聯(lián)人打算把一個(gè)T7的半超導裝置贈送給其他國家，然后他們自己做一個(gè)更大的。我們的老所長(cháng)霍裕平對蘇聯(lián)專(zhuān)家說(shuō)，那就送給我們吧。這件事成為中國聚變史上的一個(gè)佳話(huà)，我們用價(jià)值400萬(wàn)人民幣的生活物資，換了前蘇聯(lián)價(jià)值1800萬(wàn)盧布的T7裝置?！笔虑殡m然已經(jīng)過(guò)去很久了，但講起這件事，李建剛還是很興奮?，F在，ESAT大廳門(mén)口還擺放著(zhù)已經(jīng)退役的T7，一米多高，像一個(gè)環(huán)形穿插進(jìn)方塊里。
有了T7，所里就用這個(gè)裝置來(lái)學(xué)習吸收消化，拆解一遍，裝上一遍，再拆解一遍，“這樣大家就知道，原來(lái)托卡馬克是這樣的啊?！比舷慢R心努力，三年半之后，組裝出了自己的托卡馬克——合肥超環(huán)HT-7，而且比蘇聯(lián)的T7好很多：T7能做到1000萬(wàn)度大概幾秒鐘，而合肥超環(huán)可以做到1200萬(wàn)度持續400多秒。
不過(guò)，基于當時(shí)的條件，很多部件都無(wú)法實(shí)現國產(chǎn)，有時(shí)還要請俄羅斯專(zhuān)家來(lái)檢修。有一次，請來(lái)一位俄羅斯專(zhuān)家，下午5點(diǎn)多乘飛機抵達，那位專(zhuān)家先是要吃飯、要喝酒，后來(lái)又說(shuō)累了要休息，全所上下幾百人就眼睜睜地等著(zhù)他休息好?！皬哪菚r(shí)起，我們就下定決心，最關(guān)鍵的技術(shù)部分，一定要百分之百?lài)a(chǎn)化?！?/p>
一只“科幻蜘蛛”：與EAST親密接觸
實(shí)現核聚變，半超導還不夠，一定要做全超導，世界各國的科學(xué)家都在朝這個(gè)方向努力，包括美國、韓國、日本、美國、印度等。經(jīng)過(guò)10年的努力，中國科學(xué)院等離子體物理研究所于2006年建成了全超導的東方超環(huán)，并且關(guān)鍵的技術(shù)部分實(shí)現了百分之百?lài)a(chǎn)！
采訪(fǎng)組到達時(shí)，正是東方超環(huán)的實(shí)驗季，不過(guò)，采訪(fǎng)組的運氣很好，當天早上，正好碰上EAST短暫的停機檢測，采訪(fǎng)組也有機會(huì )近距離和東方超環(huán)親密接觸。
EAST控制大廳的外形像是一個(gè)巨大的圓形太空艙，科幻感十足。經(jīng)過(guò)兩道閘門(mén)后，刷卡進(jìn)入一個(gè)密閉的空間，我們見(jiàn)到了EAST的真容。
EAST給人的第一印象像是未來(lái)的機器蜘蛛，整個(gè)裝置重量約400多噸，中間是高11米、直徑8米的圓柱形大型超導磁體，由D形的超導線(xiàn)圈圍成的，實(shí)驗時(shí)，超導形成的磁約束，讓等離子體成為懸在空中的一團火球，不斷加熱，達到上億度的超高溫。周邊的高功率波加熱、中性束注入、低溫制冷、高功率電源、等離子體診斷、遙操作維護等系統像是伸出來(lái)的“腿”，支撐在大型超導磁體周?chē)?。抬頭向上看去，一面五星紅旗矗立在EAST頂部。
在EAST前方，還展示了一些我國創(chuàng )新制造的部件，包括超導線(xiàn)、石墨瓦、鎢銅部件、高壓絕緣套筒與法蘭，以及世界最高參數的68KA超導高溫電流引線(xiàn)等，這些都是EAST能夠成功運行的基礎。
所里的技術(shù)人員把實(shí)驗一次叫“放一炮”，在EAST控制大廳里的超大屏幕上顯示著(zhù)一個(gè)數字：87068，這意味著(zhù)EAST已經(jīng)放電87068次。實(shí)驗時(shí)，兩道閘門(mén)關(guān)閉，室外警報響起，隨著(zhù)實(shí)驗人員輸入各種參數，大屏幕上開(kāi)始倒計時(shí)，當倒計時(shí)歸零時(shí)，EAST開(kāi)始加熱，磁約束下的那團氣體的影像會(huì )出現在大屏幕上，周邊是熾熱的紅黃色，中間是黑色。黑色，意味著(zhù)達到了一億度的超高溫。幾秒后，火焰消失，一次實(shí)驗結束。
一項研究衍生多項科技成果：有望實(shí)現超導質(zhì)子治療
核聚變研究中應用的各方技術(shù)都代表著(zhù)目前人類(lèi)科技的最高水平，這些技術(shù)一旦轉化到其它產(chǎn)業(yè)中，也會(huì )帶來(lái)巨大的提升，為全人類(lèi)服務(wù)。
“超導的一個(gè)最常見(jiàn)的應用就是平常我們去看病的核磁共振?！崩罱▌傉f(shuō)，“現在人們去拍片子最好的設備磁場(chǎng)才1.5個(gè)特斯拉，未來(lái)核磁共振可以做到10個(gè)特斯拉。1.5特斯拉和10個(gè)特斯拉是什么概念？就是能把發(fā)現癌細胞的精度提高十倍、二十倍，如果要殺死癌細胞，再加入一個(gè)加速器的技術(shù)?！?/p>
等離子體所正在開(kāi)展超導質(zhì)子治癌項目，大約5年的時(shí)間內，他們有望研發(fā)出一款新設備，可以實(shí)施精確放療，讓老百姓治療癌癥的價(jià)格大幅下降。目前，類(lèi)似的設備大都依賴(lài)進(jìn)口，使用不僅要排隊，而且價(jià)格高昂，治療費用對普通家庭而言難以承受。
“聚變的副產(chǎn)品就是海水淡化和氫。加熱的海水，高溫后汽化，最后冷卻回來(lái)自然就實(shí)現淡化了，而高溫產(chǎn)生的氫，可以提供大量的清潔能源?？梢哉f(shuō)，把聚變中的這些技術(shù)用到國民經(jīng)濟上，能夠把我們的生活質(zhì)量大幅提高?！?/p>
核聚變，就像當年的信息革命、半導體革命，一旦能夠實(shí)現，整個(gè)人類(lèi)社會(huì )都會(huì )發(fā)生革命性的變化。
科技革命往往也會(huì )伴隨著(zhù)擔憂(yōu)和質(zhì)疑的聲音：又是核、又是高溫，會(huì )不會(huì )不安全？
“非常安全！”李建剛說(shuō)，“我們實(shí)驗了20多萬(wàn)次，失敗也有幾萬(wàn)次，最多的損傷就是那團火球偏了，燒了內壁。因為，一旦出現情況，我們可以實(shí)現瞬間降溫、停止聚變，火球又變成氣體，基本沒(méi)有衍生災害?！?/p>
在采訪(fǎng)當日，EAST超導托卡馬克團隊的一個(gè)新成果在線(xiàn)發(fā)表在國際權威物理期刊Physical Review Letters（《物理評論快報》）上，在托卡馬克核聚變實(shí)驗裝置中，高約束等離子體的邊界區域會(huì )周期性地爆發(fā)出一種稱(chēng)為邊界局域模（ELM）的不穩定性，大幅度ELM類(lèi)似太陽(yáng)耀斑爆發(fā)。在前期成功探索、實(shí)現了雜草型小幅度邊界局域模（Grassy ELM）運行的基礎上，EAST超導托卡馬克團隊揭示了Grassy ELM產(chǎn)生的物理機制，進(jìn)而利用這種自發(fā)的高頻小幅度Grassy ELM，發(fā)展出了一種高性能穩態(tài)等離子體運行模式，并系統驗證了其與未來(lái)聚變堆若干運行條件的兼容性。
一百億投入的背后：全球科學(xué)家協(xié)力合作
“通過(guò)聚變，一升海水就可以提供300升汽油的能量，而且，海水基本是取之不竭的。但是，要讓核聚變成為主要的能源還十分困難?！崩罱▌傉f(shuō)。
難在哪里？它需要同時(shí)滿(mǎn)足三個(gè)條件，首先要有億度級的超高溫，其次是高溫要有足夠的持續時(shí)間，第三是持續產(chǎn)生高溫這個(gè)過(guò)程必須可控?！斑@不是單靠某一個(gè)科學(xué)家的智慧能夠解決的，必須要全世界的科學(xué)家聯(lián)合起來(lái)做?！崩罱▌傉f(shuō)。
一個(gè)上億度的火球，現在最多只能做到持續幾秒鐘，離實(shí)現持續24小時(shí)、365天還有遙遠的距離?，F在的材料，幾百上千度就化了，上億度的高溫，對材料、對控制都有著(zhù)極高的要求。
“超導材料的需求是百?lài)嵱嫷?，過(guò)去，我們國家一年只能生產(chǎn)出幾十公斤，而現在，一家生產(chǎn)商一年就可以供應數百?lài)?。但是，聚變下一步所需要的材料，是現在性能的數倍以上，目前很多材料和技術(shù)還無(wú)法滿(mǎn)足下一步實(shí)驗的要求?！?/p>
核聚變需要諸多尖端科學(xué)領(lǐng)域的合作。實(shí)現之后還有工業(yè)化的過(guò)程，作為能源產(chǎn)品，還要做到足夠便宜。
“這不是短時(shí)間可以實(shí)現的，可能需要幾十年，大規模經(jīng)濟應用可能還要上百年，這也是全球科學(xué)家在這件事上可以合作的原因?！?/p>
中國加入了國際熱核聚變實(shí)驗堆（ITER）計劃，這是目前全球規模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一，ITER裝置是一個(gè)能產(chǎn)生大規模核聚變反應的超導托克馬克，參與計劃的七方有中國和歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯、美國，包括了全世界主要的核國家，覆蓋的人口接近全球一半，中國在這一計劃中要投入100億人民幣。參與計劃科學(xué)家的平臺、技術(shù)和發(fā)現是共享的。
在EAST控制大廳，我們見(jiàn)到了不少外國科學(xué)家，李建剛介紹說(shuō)，上個(gè)月的某一周，EAST全部實(shí)驗是中美聯(lián)合實(shí)驗，有幾十位美國科學(xué)家加入進(jìn)來(lái)。美國的DIII-D裝置也有差不多一個(gè)星期的聯(lián)合實(shí)驗?！暗较乱恢芪覀冞€會(huì )采取第2輪國際聯(lián)合實(shí)驗?！?/p>
聯(lián)合實(shí)驗也叫THIRD SHIFT，聯(lián)合實(shí)驗室是異地的，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )，在圣地亞哥、在MIT、在普林斯頓就能參加EAST的實(shí)驗?！霸贓AST，一般白天是中國科學(xué)家，到了下午，就換成歐洲科學(xué)家，等到半夜，就是美國科學(xué)家。通過(guò)網(wǎng)絡(luò )，全世界的科學(xué)家都能參與其中?！鼻懊婵吹降氖澜缱罡邊档?8KA超導高溫電流引線(xiàn)，就是我國提供給ITER的。
一座新實(shí)驗堆的愿景：在中國點(diǎn)亮核聚變的第一盞燈
“中國是最有可能率先實(shí)現聚變發(fā)電的國家?！崩罱▌傉f(shuō)。
“首先，中國有14億人口，而我們的人均能耗只有美國的1/6，我們的需求是巨大的。第二就是中國有體制優(yōu)勢，這十幾年來(lái)，中國的發(fā)展速度舉世矚目，因為中國可以堅定地實(shí)施中長(cháng)期的規劃，可舉國之力辦大事?！?/p>
歐美的科學(xué)家，單兵作戰能力強過(guò)中國科學(xué)家，但多人集團作戰，就是中國科學(xué)家的優(yōu)勢，而聚變，恰恰是一個(gè)需要眾多人才長(cháng)期努力的科學(xué)實(shí)驗，中國在這一領(lǐng)域的優(yōu)勢可能是全世界其他國家都沒(méi)有的。
目前，從全球來(lái)看，EAST一直處于領(lǐng)先位置，但我國不僅僅滿(mǎn)足于此，正在醞釀一個(gè)更大的計劃。
李建剛告訴記者，在科技部的支持下，他們正在籌劃建設一個(gè)新的聚變實(shí)驗堆，其規模要超過(guò)目前的ITER，“目前正在設計階段，有100多個(gè)單位、近800名科學(xué)家參與，希望5年能完成設計，建設要用10年的時(shí)間?！?/p>
目前ITER的功率是50萬(wàn)千瓦，我國未來(lái)的新實(shí)驗堆將實(shí)現200萬(wàn)千瓦，聚變功率大4倍。ITER并不能發(fā)電，而我們的新實(shí)驗堆將具有發(fā)電功能?！八?，我們非常有信心地說(shuō)，人類(lèi)核聚變點(diǎn)亮的第一盞燈，一定會(huì )在中國?！?/p>