中国成为核聚变能开发领跑者 打造首个人造太阳

 

我国成为核聚变能开发“领跑者”

 

科学家盼望核聚变能点亮的第一盏灯在中国

 

核聚变能由于资源丰富和无污染，被科学界认为是最有希望彻底解决能源和环境问题的根本出路之一。中科院专家指出，我国自21世纪初正式参加国际热核实验堆ITER计划后，经过十多年的努力，核聚变科研能力、重要部件制造工艺能力、工程建造能力、大科学工程管理能力等均已达到国际先进水平，具备建设自主产权聚变工程实验堆的能力。

 

在开发核聚变能被人们形象地称为“人造太阳”的路上，中国已从“追赶者”、“并跑者”，成长为具备强大国际输出能力的“领跑者”。科学家们数十年艰辛“逐日”，就是盼望核聚变能点亮的第一盏灯在中国。

 

核聚变能：清洁无限的能源希望

 

煤炭、天然气、石油等化石能源最终将会枯竭，人类未来的命运聚焦在寻找更加持久的清洁能源上，核能成为人们寄予厚望的未来能源之一。核能分为核裂变能与核聚变能，前者已经被人类利用发电，但核裂变堆多采用铀、铯等放射性物质作为燃料，这些物质蕴藏有限，还会产生强大的辐射，放射性核废料的处理也是难题。核聚变能与太阳产生能量的方式相同，都是由原子核聚变放出巨大能量。在地球上，人类也早已实现了核聚变——氢弹爆炸。但氢弹是一种武器，爆炸时会在极短的时间内释放出极大的能量，从而在一定范围内产生毁灭性的后果。

 

如果氢弹的爆炸过程被人为地大大减缓，如果爆炸产生的能量被缓慢而稳定地输出，转化为电能，那氢弹就不再是屠戮生灵的武器，而成了泽被百姓的一个能源库——人造太阳。

 

因此，人造太阳又被称为“可控热核聚变”。科学家们介绍，它的特点是产生过程中辐射可忽略不计，从储量丰富的海水中提炼氢的同位素氘、氚作为燃料，不会带来污染物。

 

据预测，每一升海水中所蕴含的氘如果提取出来，发生完全的聚变反应，能释放相当于300升汽油燃烧时释放的能量。以此推算，根据目前世界能源消耗水平和海水存量，核聚变能可供人类使用数亿年。

 

与国际空间站研究、欧洲加速器、人类基因组测序研究等项目一样，该领域的研究也是一个国际科技合作项目。美、法等国在20世纪80年代中期发起了国际热核聚变实验反应堆(ITER)计划，旨在建立世界上第一个受控热核聚变实验反应堆，为人类输送巨大的清洁能量。中国于2003年加入ITER计划，成为七方成员之一，承接整个计划9%左右的采购包任务，并享受全部知识产权。位于安徽合肥的中科院等离子体所是这个国际科技合作计划的国内主要承担单位。

 

我国已具研发和建设自主核聚变工程实验堆能力

 

“当中国宣称要用2000万美元建造全超导核聚变实验装置，国际学界没有人相信。”中国工程院院士李建刚想起十多年前依然记忆犹新。

 

1998年中国科学院等离子体研究所成立EAST团队，目标是建设世界首个全超导核聚变实验装置EAST，它的中文名字“东方超环”寄予着中国科学界的巨大期望。为此，中科院等离子体所成立了12个研究室，两个技术支撑中心，攻克装置建设过程中的一个个拦路虎。

 

“是一种精神、一种事业的快乐，支撑起了这些人。”李建刚说：“这个项目如果没做好，我们觉得愧对整个国家，愧对整个社会。”

 

2006年9月，中国自主设计建造的世界首个全超导非圆截面核聚变实验装置EAST建成，并完成了首次成功放电，获得电流200千安、时间接近3秒的高温等离子体放电。与国际同类实验装置相比，它在当时获得四项世界“第一”，即使用资金最少、建设速度最快、投入运行最早、运行后获得等离子放电最快。

 

EAST在近年来取得了一系列处于国际领先地位的实验成果，“现在每年上千人次的国外科学家来我们所开展国际合作。而10年以前，都是我们远赴国外跟人家学习。”中科院等离子体所常务副所长宋云涛说。

 

不过，在开发利用核聚变能的漫漫“路途”中，EAST还是一个用于科学实验的装置。“经过十多年的努力，我国在科学研究、工程技术、人才培养和管理经验上已达到国际一流水平，具备以我为主、通过广泛国际合作，进一步建设本国核聚变工程实验堆的能力。”中国工程院院士李建刚说。

 

我国在ITER计划中承接9%的采购包任务。截至目前，科学家攻克了采购包任务中遇到的所有技术难关。中科院等离子体所副所长宋云涛介绍，我国交付ITER计划的采购包部件实现了100%国产化，而且全部一次性100%合格，并按期交付。ITER组织两任总干事对中方的评价都是“中国在采购包的研发、生产方面领先于各方”。与此同时，我国自主建造的中科院等离子体所东方超环(EAST)等装置已使我国可以与国际一流的核聚变实验室平等交流、对话。

 

我国承担ITER任务的一级制造企业总共有20多家，在ITER和国内核聚变实验装置建设阶段这些企业实现了从无到有、从有到强的工艺和建造技术跨越，不只填补了国内空白，还进入国际领先行列。

 

从人才培养来看，现在全球各聚变实验室几乎都有我国的科研人员。ITER组织中方人员数量在七方成员中仅次于欧盟，占据第二。我国在国际化大科学工程管理方面也完成了积累。在ITER组织及其下属各个重要机构，中方都有人员担任过重要职务，发挥着领导作用。

 

“人造太阳”距离商用还有多远

 

ITER计划于2021年建成，2027年全面开始以氘、氚燃料为主的实验堆实验。

 

据了解，在科技部组织下，“中国核聚变工程实验堆CFETR设计”项目2015年已经完成工程概念设计，这在国际上形成了很大的反响，世界聚变研究发达国家美国、德国、法国、意大利等都和我国建立了密切的联系，全面参与CFETR的联合设计。俄罗斯同行也表示未来更加深入参与CFETR计划，一个以我为主的国际合作已现雏形。

 

CFETR相较于目前在建的ITER，目标是更进一步掌握和完善未来建设商用示范堆所需的工程技术。科学家们认为，建设CFETR需要二十年左右时间，如果它能成功实施将是我国自主设计、研制，以我为主、有广泛国际参与的重大科学工程项目，将促使我国引领未来世界聚变能研究，为人类科技发展做出更多中国人应有的贡献。

 

据介绍，核聚变工程实验堆之后是核聚变示范堆的建设和试运行，大概还需要10到20年的时间，此后真正商用还要有一定的物理运行期。如此算来，核聚变能为人类广泛造福的时代来临，估计要到21世纪中叶以后。

 

“我这一辈子，大约做了将近二十万次‘人造太阳’的实验，有将近四万次失败了。这是一个非常漫长的过程。尽管目前我们在核聚变实验装置上实现了一百秒放电，但离一千秒、一万秒，离无限量商用还很远，但是我们会一直往下走。”55岁的李建刚院士说，“我的梦想就是在有生之年，有一盏灯泡被核聚变能点亮，这一盏灯泡一定要在中国！”记者 蔡敏 朱青