深圳特區(qū)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,不是掛在天空,而是以超導磁場約束,通過波加熱,讓等離子氣體達到上億度的高溫,發(fā)生聚變的大科學裝置,就像太陽一樣,為人類提供源源不斷的能量。
在合肥的科學島上,中國的“人造太陽”——“東方超環(huán)”率先實現(xiàn)一億度的超高溫,實現(xiàn)了101.2秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束等離子體運行,在聚變這個全球競爭的科學頂峰攀登賽中,一直保持著領(lǐng)先。中國的目標,是點亮人類核聚變的第一盞燈。
“聚變是全人類的夢想?!边@是李建剛對中國力量采訪組說的第一句話。
李建剛是中國工程院院士,中國磁約束聚變專家委員會召集人,曾任中國科學院等離子體物理研究所所長,在合肥西郊的科學島上深耕近40年,致力于核聚變研究,是國家重大科學工程“EAST超導托卡馬克聚變裝置”輔助加熱系統(tǒng)的負責人。EAST裝置也被稱為“東方超環(huán)”,是我國自主設(shè)計建造的、世界上第一個非圓截面全超導托卡馬克核聚變實驗裝置。
簡單說來,因為這個裝置的目標是實現(xiàn)億度超高溫的核聚變,其能量爆發(fā)與太陽類似,也被稱為人造太陽。目前EAST已經(jīng)實現(xiàn)了電子溫度1億度的超高溫并持續(xù)幾秒鐘。
控制大廳的外墻上,掛著8塊牌子,其中兩塊是“國際聚變能聯(lián)合中心”“世界實驗室核聚變中心”?!翱茖W無國界,核聚變研究可能是全世界科學家合作最好的一件事?!崩罱▌傉f。
一筆劃算的買賣:400萬物資換來T7
核聚變是全世界能源發(fā)展的前沿方向,簡單說就是質(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(nèi)的多個國家都陸續(xù)開展了對該領(lǐng)域的研究。
一個偶然的機會,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T7的半超導裝置贈送給其他國家,然后他們自己做一個更大的。我們的老所長霍裕平對蘇聯(lián)專家說,那就送給我們吧。這件事成為中國聚變史上的一個佳話,我們用價值400萬人民幣的生活物資,換了前蘇聯(lián)價值1800萬盧布的T7裝置?!笔虑殡m然已經(jīng)過去很久了,但講起這件事,李建剛還是很興奮?,F(xiàn)在,ESAT大廳門口還擺放著已經(jīng)退役的T7,一米多高,像一個環(huán)形穿插進方塊里。
有了T7,所里就用這個裝置來學習吸收消化,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1000萬度大概幾秒鐘,而合肥超環(huán)可以做到1200萬度持續(xù)400多秒。
不過,基于當時的條件,很多部件都無法實現(xiàn)國產(chǎn),有時還要請俄羅斯專家來檢修。有一次,請來一位俄羅斯專家,下午5點多乘飛機抵達,那位專家先是要吃飯、要喝酒,后來又說累了要休息,全所上下幾百人就眼睜睜地等著他休息好?!皬哪菚r起,我們就下定決心,最關(guān)鍵的技術(shù)部分,一定要百分之百國產(chǎn)化?!?/p>
一只“科幻蜘蛛”:與EAST親密接觸
實現(xiàn)核聚變,半超導還不夠,一定要做全超導,世界各國的科學家都在朝這個方向努力,包括美國、韓國、日本、美國、印度等。經(jīng)過10年的努力,中國科學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)部分實現(xiàn)了百分之百國產(chǎn)!
采訪組到達時,正是東方超環(huán)的實驗季,不過,采訪組的運氣很好,當天早上,正好碰上EAST短暫的停機檢測,采訪組也有機會近距離和東方超環(huán)親密接觸。
EAST控制大廳的外形像是一個巨大的圓形太空艙,科幻感十足。經(jīng)過兩道閘門后,刷卡進入一個密閉的空間,我們見到了EAST的真容。
EAST給人的第一印象像是未來的機器蜘蛛,整個裝置重量約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形的超導線圈圍成的,實驗時,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(tǒng)像是伸出來的“腿”,支撐在大型超導磁體周圍。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、石墨瓦、鎢銅部件、高壓絕緣套筒與法蘭,以及世界最高參數(shù)的68KA超導高溫電流引線等,這些都是EAST能夠成功運行的基礎(chǔ)。
所里的技術(shù)人員把實驗一次叫“放一炮”,在EAST控制大廳里的超大屏幕上顯示著一個數(shù)字:87068,這意味著EAST已經(jīng)放電87068次。實驗時,兩道閘門關(guān)閉,室外警報響起,隨著實驗人員輸入各種參數(shù),大屏幕上開始倒計時,當?shù)褂嫊r歸零時,EAST開始加熱,磁約束下的那團氣體的影像會出現(xiàn)在大屏幕上,周邊是熾熱的紅黃色,中間是黑色。黑色,意味著達到了一億度的超高溫。幾秒后,火焰消失,一次實驗結(jié)束。
一項研究衍生多項科技成果:有望實現(xiàn)超導質(zhì)子治療
核聚變研究中應用的各方技術(shù)都代表著目前人類科技的最高水平,這些技術(shù)一旦轉(zhuǎn)化到其它產(chǎn)業(yè)中,也會帶來巨大的提升,為全人類服務(wù)。
“超導的一個最常見的應用就是平常我們?nèi)タ床〉暮舜殴舱??!崩罱▌傉f,“現(xiàn)在人們?nèi)ヅ钠幼詈玫脑O(shè)備磁場才1.5個特斯拉,未來核磁共振可以做到10個特斯拉。1.5特斯拉和10個特斯拉是什么概念?就是能把發(fā)現(xiàn)癌細胞的精度提高十倍、二十倍,如果要殺死癌細胞,再加入一個加速器的技術(shù)。”
等離子體所正在開展超導質(zhì)子治癌項目,大約5年的時間內(nèi),他們有望研發(fā)出一款新設(shè)備,可以實施精確放療,讓老百姓治療癌癥的價格大幅下降。目前,類似的設(shè)備大都依賴進口,使用不僅要排隊,而且價格高昂,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,最后冷卻回來自然就實現(xiàn)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,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?qū)崿F(xiàn),整個人類社會都會發(fā)生革命性的變化。
科技革命往往也會伴隨著擔憂和質(zhì)疑的聲音:又是核、又是高溫,會不會不安全?
“非常安全!”李建剛說,“我們實驗了20多萬次,失敗也有幾萬次,最多的損傷就是那團火球偏了,燒了內(nèi)壁。因為,一旦出現(xiàn)情況,我們可以實現(xiàn)瞬間降溫、停止聚變,火球又變成氣體,基本沒有衍生災害?!?/p>
在采訪當日,EAST超導托卡馬克團隊的一個新成果在線發(fā)表在國際權(quán)威物理期刊Physical Review Letters(《物理評論快報》)上,在托卡馬克核聚變實驗裝置中,高約束等離子體的邊界區(qū)域會周期性地爆發(fā)出一種稱為邊界局域模(ELM)的不穩(wěn)定性,大幅度ELM類似太陽耀斑爆發(fā)。在前期成功探索、實現(xiàn)了雜草型小幅度邊界局域模(Grassy ELM)運行的基礎(chǔ)上,EAST超導托卡馬克團隊揭示了Grassy ELM產(chǎn)生的物理機制,進而利用這種自發(fā)的高頻小幅度Grassy ELM,發(fā)展出了一種高性能穩(wěn)態(tài)等離子體運行模式,并系統(tǒng)驗證了其與未來聚變堆若干運行條件的兼容性。
一百億投入的背后:全球科學家協(xié)力合作
“通過聚變,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。”李建剛說。
難在哪里?它需要同時滿足三個條件,首先要有億度級的超高溫,其次是高溫要有足夠的持續(xù)時間,第三是持續(xù)產(chǎn)生高溫這個過程必須可控?!斑@不是單靠某一個科學家的智慧能夠解決的,必須要全世界的科學家聯(lián)合起來做?!崩罱▌傉f。
一個上億度的火球,現(xiàn)在最多只能做到持續(xù)幾秒鐘,離實現(xiàn)持續(xù)24小時、365天還有遙遠的距離?,F(xiàn)在的材料,幾百上千度就化了,上億度的高溫,對材料、對控制都有著極高的要求。
“超導材料的需求是百噸計的,過去,我們國家一年只能生產(chǎn)出幾十公斤,而現(xiàn)在,一家生產(chǎn)商一年就可以供應數(shù)百噸。但是,聚變下一步所需要的材料,是現(xiàn)在性能的數(shù)倍以上,目前很多材料和技術(shù)還無法滿足下一步實驗的要求。”
核聚變需要諸多尖端科學領(lǐng)域的合作。實現(xiàn)之后還有工業(yè)化的過程,作為能源產(chǎn)品,還要做到足夠便宜。
“這不是短時間可以實現(xiàn)的,可能需要幾十年,大規(guī)模經(jīng)濟應用可能還要上百年,這也是全球科學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驗堆(ITER)計劃,這是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一,ITER裝置是一個能產(chǎn)生大規(guī)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。參與計劃科學家的平臺、技術(shù)和發(fā)現(xiàn)是共享的。
在EAST控制大廳,我們見到了不少外國科學家,李建剛介紹說,上個月的某一周,EAST全部實驗是中美聯(lián)合實驗,有幾十位美國科學家加入進來。美國的DIII-D裝置也有差不多一個星期的聯(lián)合實驗?!暗较乱恢芪覀冞€會采取第2輪國際聯(lián)合實驗。”
聯(lián)合實驗也叫THIRD SHIFT,聯(lián)合實驗室是異地的,通過網(wǎng)絡(luò),在圣地亞哥、在MIT、在普林斯頓就能參加EAST的實驗?!霸贓AST,一般白天是中國科學家,到了下午,就換成歐洲科學家,等到半夜,就是美國科學家。通過網(wǎng)絡(luò),全世界的科學家都能參與其中?!鼻懊婵吹降氖澜缱罡邊?shù)的68KA超導高溫電流引線,就是我國提供給ITER的。
一座新實驗堆的愿景:在中國點亮核聚變的第一盞燈
“中國是最有可能率先實現(xiàn)聚變發(fā)電的國家?!崩罱▌傉f。
“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,中國的發(fā)展速度舉世矚目,因為中國可以堅定地實施中長期的規(guī)劃,可舉國之力辦大事。”
歐美的科學家,單兵作戰(zhàn)能力強過中國科學家,但多人集團作戰(zhàn),就是中國科學家的優(yōu)勢,而聚變,恰恰是一個需要眾多人才長期努力的科學實驗,中國在這一領(lǐng)域的優(yōu)勢可能是全世界其他國家都沒有的。
目前,從全球來看,EAST一直處于領(lǐng)先位置,但我國不僅僅滿足于此,正在醞釀一個更大的計劃。
李建剛告訴記者,在科技部的支持下,他們正在籌劃建設(shè)一個新的聚變實驗堆,其規(guī)模要超過目前的ITER,“目前正在設(shè)計階段,有100多個單位、近800名科學家參與,希望5年能完成設(shè)計,建設(shè)要用10年的時間?!?/p>
目前ITER的功率是50萬千瓦,我國未來的新實驗堆將實現(xiàn)200萬千瓦,聚變功率大4倍。ITER并不能發(fā)電,而我們的新實驗堆將具有發(fā)電功能?!八?,我們非常有信心地說,人類核聚變點亮的第一盞燈,一定會在中國?!?/p>