|
行星发动机、量子计算机、太空电梯……电影《流浪地球2》中的“硬核科技”让人叹为观止。
实际上，无论是国外的科幻大片《钢铁侠》还是国内的春节黑马《流浪地球2》，它们并不仅仅只是电影人天马行空的想象，而是有着现实支撑的“原型”——可控核聚变就是其中之一。
作为地球能源的供给者，太阳之所以能量源源不断，就在于它内部一直在进行大量的核聚变。人类主要消耗的化石能源（石油、天然气、煤炭等）是存储了亿万年之前光合作用产生的能量，但随着人类对能源的需求越来越大，尤其是进入工业社会以后，化石能源加速消耗，可以预见，未来的100到300年，化石能源必然枯竭，人类的文明想要继续发展，必须寻找新的能源。
科学家们将目光转向了核聚变，如果能够在地球上可控地实现核聚变，人类就可以拥有清洁而且源源不断的新能源。在能源安全和碳中和两大背景下，聚变能已成为大国竞争的战略焦点，有望与可再生能源一起成为去碳化的王牌。
只是可控核聚变，这份看上去事关人类命运共同体的伟大事业，花费了全球科学家几十年的时间，却一直进展缓慢。直到去年12月份，美国在核聚变研究上首次实现“净能量增益”（产生的能量超过投入量），这意味着，人类可能距离拥有“近无限、安全、清洁”的能源又迈出一步。
其实，在中国合肥市西郊的科学岛上，也有一座大科学装置——EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak），全称是全超导托卡马克核聚变实验装置。大家给它起了一个可爱的名字——“人造太阳”。2023年2月末，“人造太阳”EAST牵头人、中国工程院院士李建刚在墨子沙龙上，向我们讲述了中国人在可控核聚变征途上的一次次突破。
李建刚在墨子沙龙上，向我们讲述了中国人在可控核聚变征途上的一次次突破 “我最大的梦想就是在我的有生之年，能够有一盏灯被核聚变点亮，这盏灯一定要在中国合肥。”这是中国工程院院士李建刚五年前在中央电视台《开讲啦》节目中许下的愿望。
院士小传
李建刚，中国工程院院士，理学博士，合肥国家科学中心能源研究院院长，中国磁约束聚变专家委员会召集人，中国物理学会副理事长。长期从事磁约束聚变研究，在等离子体加热、偏滤器物理与工程、等离子体与材料相互作用、聚变堆设计等方面做出重要贡献。
五年后的今天，李建刚“修改”了曾经的表达： “过去我认为我的有生之年不一定看得到的，所以叫做‘梦想’，而现在，新的时代和机遇给了我们绝佳的舞台。 我相信十年之内，一定能看到有一盏灯在合肥被核聚变点亮。 ”
核聚变——人类终极能源 1905 年 9 月 27 日，爱因斯坦提出了著名的质能方程：E=mc? ，能量等于质量乘以光速的平方。质能方程的另一种表示是：ΔE=Δmc? ，产生的能量等于减小的质量乘以光速的平方。这预示着伴随着质量的亏损会释放出巨大的能量，由此开启了核能时代。
随着原子质量数的增加，每个核子（质子和中子）的平均质量会经历先减小后增大的过程，因此核反应存在两种：重核裂变与轻核聚变，对应的核能分别为核裂变能与核聚变能。
核聚变是两个轻量元素的原子核聚合到一起，同时释放巨大能量的核反应。这种反应在宇宙中非常普遍，所有自发光的天体（即恒星）都是天然的聚变体。距离我们最近的恒星是太阳，在太阳内部约有百分之一的区域称为日核区，这里温度极高、压强极大，如此环境使得聚变反应持续发生。
可控核聚变，重现的是与太阳相同的反应，就是将氢原子核相互碰撞之际发生的能量用于发电。在理论上，1克燃料可产生相当于8吨石油的能量。如果可以实现像太阳一样的连续核聚变反应，我们便可以得到持续的能量产出，人类的能源困局和环境危机便会迎刃而解。
李建刚院士指出，可控核聚变具有三大优势。 首先，原料储量巨大。目前相对容易实现且期望被率先实现的是氘—氚聚变反应。其中氘原料存在于海水中，地球上海洋面积辽阔，其中蕴藏了超过40万亿吨的氘原料。1升海水就可以提取约 0.03 克的氘，后者产生的聚变能相当于 300 升汽油，能让一辆汽车从北京到广州跑个来回。所以说，海水里边的氘资源可以供我们人类用100亿年！
其次，氘—氚聚变反应的最终产物是氦和携带大量能量的中子，不会造成任何污染，对环境是友好的。
最后，核聚变反应具有固有安全特性。所谓固有安全性，就是永远都安全。即便在极端失控条件下，它会在短时间内自行终止反应，产生的也只是氦气，没有长寿命的放射性气体，非常安全可靠。
“可控核聚变发电时不产生二氧化碳，只要停止燃料供应，反应立刻停止，与核电相比，安全方面的风险很低。”李建刚说，一座100万千瓦的电站，如果是采用煤发电，大概要消耗150—200万吨煤，产生400—500万吨的二氧化碳排放。如果是裂变核电站的话，那么需要30吨铀，而聚变核电站的话，每年仅消耗150公斤重水和锂，且和裂变核电站一样，完全没有二氧化碳排放。
由此可见，可控核聚变无疑是“碳中和”背景下的必然选择；它的原料来源广泛，原料利用率高，相对于人类文明的时间尺度来说，可以说是“取之不尽，用之不竭”。“人类终极能源是80%的聚变加20%的可再生能源。”李建刚说。
“人造太阳”两大难 那么，我们如何实现可控核聚变呢？
“人造太阳”两大难 与核裂变相比，核聚变反应的效率更高，但实现难度更大。
核聚变反应需要同时满足三个条件：足够高的温度、一定的密度和一定的能量约束时间。 李建刚指出，原子核只有在极高温度（1 亿摄氏度以上）下才具有足够的能量克服彼此间的静电能量壁垒 ，以启动和维持核聚变反应；而且必须保持一定的密度（粒子浓度）才能提高原子核的碰撞效率，以获得足够的有效反应；此外，还需要大于1秒钟的约束时间，高能量约束时间意味着良好的隔热性能，以保持反应物高温。
满足这三个条件，才仅仅是能够触发核聚变反应，更为困难的是让上述核聚变反应可控和持续。“反应物在极高温下会完全电离，变为一团由裸露原子核和自由电子组成的电离气体，即等离子体。只有让这些等离子体运动起来，才能实现持续的核聚变反应。”李建刚说，约束这些等离子体有三种方式，太阳的核聚变是靠重力约束实现的，另外两种就是以高功率激光作为驱动器的惯性约束和磁约束。
过去70年，美国一直尝试用高能激光轰击核聚变材料，借助激光产生的高温高压实现核聚变。
2022年12月5日，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）的国家点火装置（NIF）将2.05兆焦的激光聚焦到核聚变材料上，产生了3.15兆焦的能量，能量增益首次大于1，达到了“点火”标准。
尽管单从数据上看，这次实验产生的能量“只够烧开10壶水”，但它的意义非常重大。根据核聚变反应的劳森准则，当核聚变的能量产出率大于能量损耗率，并且有足够的能量被系统捕获和利用，就可以被称为“点火成功”。但在过去几十年中，这一直是科学家们未能实现的梦想。NIF从2010年开始正式的点火实验，用了10多年时间才梦想成真。
李建刚说，NIF设置了一个“小靶子”，“靶子”中有热核材料，然后利用高能激光照射“小靶子”，点燃里面的热核材料产生核聚变，最后输出的能量就是核聚变能。“用美国能源部的话说，这是70年来美国科学中最伟大的突破之一。”
美国国家点火装置NIF是世界上最大的激光装置，造价高达35亿美元，可以动用近200台激光器产生的高能激光集中轰击一个微小的核聚变材料靶标，以启动核聚变反应。李建刚透露，中国也有类似的高能激光装置。中科院与中物院联合研制的“神光II”型高能量聚变激光器已于2000年建成投入运行。 下面再来说说另外一条技术路径——磁约束聚变。
磁约束，顾名思义，就是让核聚变产生的等离子体置身于有磁场的空间，带电的原子核与电子在垂直于磁场的方向上不再自由，受到磁场作用力的带电粒子只能沿着磁场方向做螺旋运动。这种磁场看不见、摸不着，也不接触有形的物体，可以把炙热的等离子体托举在空中。
20 世纪 50 年代，苏联科学家提出一种名为“托卡马克”的环形磁约束聚变装置，这是一种形如面包圈的环流器，依靠等离子体电流和环形线圈产生的强磁场，将极高温等离子状态的聚变物质约束在环形容器内，以此实现核聚变反应。 在俄文中，托卡马克一词由环形、真空室、磁、线圈的前几个字母组成。学界的主流认识认为，托卡马克装置离实现商用级可控核聚变更有希望。因此，磁约束核聚变就成为了人类实现“人造太阳”梦想的途径之一。
即便有了这样的装置，“点火”和“持续燃烧”依然是人类必须攻克的两座山头。
东方超环横空出世 李建刚说，约束等离子体的磁场，虽然不怕高温，却很不稳定，且等离子体在加热过程中能力也不断损失，这给托卡马克实际应用带来了重重挑战。 1985年，时任苏共中央总书记戈尔巴乔夫在日内瓦峰会上，与时任美国总统里根的会面中提出一项倡议——由多国联合开发核聚变装置，以减少因争夺能源可能引发的国际争端。
随后在1988年，人们开始了实验堆的研究设计。
这个项目后来成为了 ITER（国际热核聚变实验反应堆）——一个超大型托卡马克装置。整个装置高约30米，相当于10层楼高，等离子体环的半径超过6米。它的目标是把等离子体加热到10亿度，维持500秒的核聚变实验，每小时用5万度电的能量，而释放出50万度电的能量。
这项造福整个人类的宏伟计划，由于牵涉国家利益较多，ITER计划上演了长达十年的“选址纠纷”。直到2006年，ITER反应堆正式启动建设，参与方包括中国、欧盟成员国、美国、俄罗斯、韩国和日本等35个国家，其中中国在其中承担约9%的采购包制造任务。 与此同时，上世纪90年代，苏联已经着手开发第二代托卡马克，有意把第一代装置送给其他国家，在时任中科院等离子体物理研究所所长的霍裕平院士的领导下，我国用400万人民币的生活用品交换了苏联的一台 T-7 的半超导托卡马克，并为此在四川乐山建立了中国最大的磁约束聚变基地。
经过拆解、重装、改造，我国第一个托卡马克建成了。很快，科学家们在其上取得了一系列优于苏联的实验成果，也培养了包括李建刚在内的一批科学家。
2006年，就在中国加入ITER建设的同年9月28日，中国耗时8年、耗资2亿元人民币自主设计、自主建造的新一代热核聚变装置EAST（东方超环）首次成功完成放电实验。
EAST成为世界上第一个建成并真正运行的全超导非圆截面核聚变实验装置。 
这座位于合肥科学岛上中国科学院等离子体物理研究所的托卡马克，是世界上首个全超导托卡马克核聚变实验装置，其内部 30 个超导线圈在极低温条件下具有零电阻效应，因而可以产生稳态的约束磁场，使聚变堆稳态运行成为可能。
在 EAST 高 11 米、直径 8 米的主机中，集成了超高温（亿摄氏度等离子体）、超低温（-269 摄氏度超导线圈）、超高真空（大气压的百亿分之一）、超强磁场（地磁场的数万倍）、超大电流（普通插线盒的千倍以上）五大极限工况。
EAST 的设计建造是一项极为复杂的工程。李建刚院士形容超导托卡马克之路“难于上青天”，“在时间和空间上的要求比航天飞机还要苛刻。航天飞机的调整时间有几十秒钟，空间也有几百公里，但托卡马克如果出现0.1毫秒的误差，就烧得灰飞烟灭了”。
超导CICC及磁体技术、总控及数采系统 、2kW/4.5K 大规模低温制冷系统、超高真空系统等一系列重大技术难关被我国科学家一一克服。以至于李建刚幽默地说，自己本来是物理学家，结果为了解决东方超环的工程问题，生生花20年成为了工程师，也因此成为了中国工程院院士。
建成于 2006 年的 EAST 装置累计等离子体放电次数超过 10 万次，先后于 2010 年运行 1 兆安等离子体电流，2021 年 5 月 28 日实现可重复的 1.2 亿摄氏度 101 秒和 1.6 亿摄氏度 20 秒等离子体运行，2021 年 12 月 30 日实现 1056 秒长脉冲高参数等离子体运行世界纪录，在稳态高性能方面处于国际领先。
李建刚说，成立于 1978 年的等离子体所，先后建成并运行了四代托卡马克装置，实现了我国聚变研究从跟跑到并跑再到领跑的跨越。每一次进步都为未来的“人造太阳”注入一缕光芒，我国科学家正逐渐把“人造太阳”从梦想变为现实。等离子体所团队成员有信心解决等离子体燃烧高效点火和稳态维持及安全控制等科学和工程问题，让聚变能的第一盏灯在中国点亮！ 如果说“托卡马克”是李建刚核聚变事业的“太阳”，那么，在李建刚心里，还有一个美好的“太阳”——“善良和互助是根植于人类心中的文明内核，核聚变可以帮助人类摆脱资源匮乏带来的灾难和战乱，人类可以在解决能源危机的过程中互帮互助，这些都是文明发展的趋势，也是‘人类共同体’的应有之义”。 | 
发表于 2023-3-18 09:50:30
