人類從未停止過對更高效更清潔能源的探索,其中核聚變能被認為是終極選擇之一。為推進可控核聚變研究,各國聯合推動了國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃。

近日在科技部舉辦的中國加入ITER計劃十周年紀念活動上,科學家就“核聚變是能源的美好未來嗎”等話題進行了探討。

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

原子核中蘊藏巨大的能量,從一種原子核變為另外一種原子核往往伴隨著能量的釋放。核聚變能是兩個較輕的原子核結合成一個較重的原子核時釋放的能量,聚變的主要燃料是氫的同位素——氘和氚。

太陽發光發熱的原理正是核聚變反應。中國國際核聚變能源計劃執行中心主任羅德隆說,太陽的中心溫度極高,氣壓達到3000多億個大氣壓,在這樣的高溫高壓條件下,氫原子的兩個“同胞兄弟”——氘和氚聚變成氦原子核,并放出大量能量。“太陽猶如一個巨大的核聚變反應裝置,幾十億年向外輻射能量。”

不過,由于聚變能量實在太大,人類要加以利用,就必須對它進行控制,這也是科學家一直努力的目標。

核聚變應用前景廣闊。首先,核聚變原料十分豐富。據測算,每升海水中含有0.03克氘,經過核聚變可提供相當于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,核聚變反應過程不產生污染環境的硫、氮氧化物,不釋放溫室效應氣體。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、高效等多種優點,能基本滿足人類對于未來理想終極能源的各種要求。” 羅德隆說。

科學家設想,如果發明一種裝置,能夠控制氘和氚聚變,并穩定持續輸出能量,那就相當于人造了一個“太陽”。專家認為,如果在民用上能實現可控,將徹底改寫人類的能源版圖。

不過,核聚變反應原理看上去雖然非常清晰,但要實現受控熱核聚變反應卻非常困難。

羅德隆說,實現受控熱核聚變反應至少要滿足兩個苛刻條件。第一,極高的溫度。氘核與氚核間發生聚變反應時,溫度須達到5000萬攝氏度以上。這種在極高溫度下才能發生的聚變核反應也稱熱核反應。在如此高溫下,物質已全部電離,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足夠長的時間,以便充分地發生聚變反應,釋放出足夠多的能量。

“只有這樣,利用聚變反應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,聚變反應就能夠永續進行、為人所用。”羅德隆說。

磁約束核聚變方式在實驗室條件下已接近于成功

上世紀30年代,科學家就提出了聚變的設想。科學家開始開展受控熱核聚變研究時,曾認為可以很快實現聚變能的應用。然而幾十年過去了,相關研究卻并未達到預期。

實現受控熱核聚變,首要問題是用什么方法以及如何加熱氣體?因為等離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,磁約束是利用強磁場約束帶電粒子,構造反應腔,建成聚變反應堆,將聚變材料加熱至數億攝氏度高溫,實現聚變反應。“目前,磁約束核聚變在實驗室條件下已接近于成功,成為國際上主流的研究方向。”

磁約束的概念由蘇聯科學家在50年代初提出,并于1954年建成了第一個磁約束裝置。科學家將這一形如面包圈的環形容器命名為“托卡馬克”。

托卡馬克是“磁線圈圓環室”的俄文縮寫,又稱環流器。這是一個由封閉磁場組成的“磁籠”,像一個中空的面包圈,可用來約束電離了的等離子體。

“等離子體就被約束在這個‘磁籠’中,像一個中空的面包圈。通過一種特殊的裝置,目前已經可以把氘氚的聚變燃料加熱到四五億攝氏度,然后在高溫下發生大量的聚變反應。磁約束核聚變又稱為托卡馬克方法。”羅德隆說。

羅德隆說,幾十年來科學家一直在研究和改進磁場的形態和性質,從而能夠實現長時間的等離子體的穩定約束,并解決等離子體的加熱方法和手段,達到聚變所要求的溫度。此外,在此基礎上,解決維持運轉所耗費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,等離子體約束時間很短,大多以毫秒計算,個別可達到分鐘級。因此,還沒有一臺托卡馬克裝置能夠實現長時間的穩態運行。

包括中國、美國、法國等國家在內的科學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到,僅靠一國之力,很難完成受控聚變實驗堆的任務,ITER計劃由此而生。這一計劃又被稱為“人造太陽”,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,其目標是在和平利用聚變能的基礎上,探索聚變在科學和工程技術上的可行性。

在核聚變領域,我國與國際上基本同步,某些方面甚至領先

2003年2月,我國正式加入ITER計劃談判;2007年,國家批準設立“ITER計劃專項”;2008年,我國全面開展ITER計劃工作。

我國磁約束核聚變研究歷史,可追溯至五六十年代。

當時,中科院物理所最先建造了一個直線放電裝置和兩個角向箍縮裝置,并于1974年建成了我國第一臺托卡馬克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能產生分鐘量級高溫等離子體放電的托卡馬克裝置。

據悉,中國已先后建成并升級改造了中國環流器二號A和“東方超環”(EAST),用于研究等離子體的穩態和先進運行,探索實現聚變能源的工程、物理問題。前者是我國首個帶偏濾器的大型托卡馬克聚變研究裝置,后者是世界首臺全超導非圓截面托卡馬克核聚變實驗裝置。EAST的建成使我國成為世界上少數幾個擁有該類型超導托卡馬克裝置的國家。

2017年7月,EAST裝置在世界上首次實現了5000萬攝氏度等離子體持續放電101.2秒的高約束運行,創造了核聚變的世界紀錄。這一里程碑式的突破,表明在穩態運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,在大力推進自身托卡馬克裝置研制和實驗的同時,我國也積極參與、推動國際熱核聚變實驗堆ITER計劃。

他介紹,ITER的構成相當復雜,需要各項超前技術。我國陸續承擔了該計劃18個采購包的制造任務,涵蓋了ITER裝置幾乎所有的關鍵部件,制造任務由幾十家科研院所、企業承擔。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鍵技術難題——

2013年8月,我國研制生產出大電流高溫超導直流電纜,這是向國際熱核聚變實驗堆供貨的超導電纜;2016年4月,中國承擔生產和設計的首個超大部件——脈沖高壓變電站首臺主變壓器,運往ITER設施的建造地法國;2016年12月,由中核集團西南物理研究院自主研發制造的國際熱核聚變核心部件——超熱負荷第一壁原型件在國際上率先通過權威機構認證。

“參與ITER項目10年,中國核聚變技術能力與管理水平大踏步前進發展。如今,我國在核聚變領域處于與國際同等甚至某些方面領先的地位。”羅德隆說。

羅德隆說,參與建設ITER的同時,我國也在運用全新的技術和材料去設計下一代大型裝置,目前正在對中國聚變工程實驗堆開展前期研究。(本報記者 喻思南)

延伸閱讀

ITER計劃

ITER計劃最早在上世紀80年代提出, 1988年由美國、蘇聯、歐洲共同體和日本共同啟動。經過13年的共同努力,耗資約15億美元,在1991年完成概念設計的基礎上,1998年,4方完成了工程設計及部分技術預研。同年美國因國內政策調整而退出ITER計劃,其余三方繼續合作對原工程設計進一步修改完善,于2001年7月完成了ITER工程設計、最終報告及主要部件的研制。

我國于2003年作為全權獨立成員正式加入ITER計劃,同期,美國宣布重新加入ITER計劃。此后,韓國和印度分別于2003年6月和2005年12月加入ITER計劃。如今ITER計劃發展成為了中、歐、印、日、俄、韓、美7方主導,30多個國家共同合作,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工程計劃,也是目前世界上規模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一。

ITER計劃的目標是在法國共同建造一個超導托卡馬克型聚變試驗堆。總共分為建造、運行、去活化、退役4個階段。根據ITER計劃的部署,2007年至2025年為建造階段;2026年至2037年為運行階段;2037年至2042年為去活化階段。作為世界上第一個大型托卡馬克聚變試驗堆,ITER工程體量巨大。目前在法國南部卡達拉什附近建造的ITER托卡馬克裝置將有10層樓高,保護極低溫部件的第一道屏障外杜瓦尺寸相當于天壇祈年殿。磁體系統共包括18個環向場線圈,其中一個線圈的重量就與波音747相當。而一個內真空室重量比法國埃菲爾鐵塔還重。整個裝置目前仍處在工程建設階段,預計在2050年左右實現核聚變能商業應用。(連政)