乡村囧事全集:三层楼高的铁罐：中国核聚变研究发挥核心作用

2011-11-02   科技日报
资料图：技术人员在合肥安装EAST全超导非圆截面核聚变实验装置。新华社发(刘兵生摄)

    法国，森林深处，一台有史以来最复杂的机器即将运作。所有的世界强国团结起来，为了人类的永久福利--摆脱能源束缚。

    提到核聚变，人们或许会想到氢弹爆炸的云朵。要利用蕴含在氘和氚原子里的能量发电，就要控制两个原子的碰撞并释放能量。可人类几十年都找不到适合的技术。

    在中国合肥一个实验室里，有一个三层楼高的“铁罐”。它叫EAST，是全世界最先进的探索可控核聚变的试验装置之一。因为它的成功，中国人站在了核聚变研究的前沿。它就好比法国森林里那个前所未有的“大铁罐”的缩微版。

    而这个即将成型的有史以来最庞大的核聚变试验装置叫ITER，在人类通向能源解放之路上，它是重要的一站。

    等离子体的牢笼

资料图：技术人员在合肥安装EAST全超导非圆截面核聚变实验装置。新华社发(刘兵生摄)

    这个高大的铁罐似的装置，内里有一个环形的空腔，记者去参观时，正有工作人员站在“燃烧炉”内，检查空腔的内壁。在此空腔内，等离子体温度高达上亿度，从而触发核聚变。没有任何材料能承受这么高的温度而不毁坏。事实上，EAST的法宝是--磁场。

    氢弹内的核聚变，释放能量是剧烈而短促的。要实现核聚变的能量可控释放，反应物就得受到约束。“磁约束”这一技术方向，被人们寄予厚望--用磁场把氘和氚原子核局限在一个小区域，好让它有足够的密度彼此碰撞。

    五十多年前，有科学家提出，如果把聚变材料加热到等离子体，就可以用磁场约束它。十几年后，前苏联人第一次造出了这样的装置，把它命名为“环形磁容器”，音译做“托卡马克”。如今大部分磁约束实验装置，包括EAST，都属于托卡马克类型。这些磁约束聚变实验器越做越大，越做越复杂。“EAST是近年比较成功的一个磁约束聚变实验装置。它可以将等离子体状态持续比较长的时间。”李建刚向我们介绍。

    在EAST内部，高温将物质中通常的原子分成游离的电子和原子核，在强磁场的约束下，这些电子和原子核规矩地运动起来，其轨迹犹如环形的麻花。而一旦密度足够高，原子核就可能彼此碰撞，实现聚变反应。

    2003年，诺贝尔物理学奖得主金茨堡在获奖演说中，列出了二十一世纪物理学三十个重要领域，他把受控核聚变列于其首。而实现可控核聚变，不光是工程难题，更要探索若干科学上的空白领域。

资料图：技术人员在合肥安装EAST全超导非圆截面核聚变实验装置。新华社发(刘兵生摄)

    合肥的科学家，用EAST来做各种实验，探索高温等离子体的特性。“人类对等离子体运动的规律并未掌握。就像天气预报难以准确一样，”李建刚说：“即便测量了等离子体的各个参数，据此预言它下一分钟的状况，也不能做到百分百准确。”

    实际上，制造出稳定的、可以放心的聚变等离子体，超出科学技术现有的能力。稳定运行的等离子体有可能很快崩溃，而找不出原因。

    “我们的主要任务是对EAST空腔中等离子体做观测和研究。”据李建刚介绍，围绕EAST的科学家除了点火，等待，测量和计算，还要摸索未知的理论。目前有很丰富的实验数据，但仍然没有一以贯之的预测模型。

    最复杂的机器

    常规的托卡马克，只能脉冲式运行，想要稳态运行，就得让托卡马克的磁体成为超导磁体。磁场的快速变化让超导体容易失去超导性。各种极端和复杂的条件，让全超导托卡马克的实现很困难。

    单说“铁罐”里的仪器，有的要求极高温度，有的要求极低温度，有的会散射电磁干扰，有的需避开电磁干扰。而且，等离子体电流的维持是不稳定的，一旦破裂，周围的器件将感受到极高的电压。把种种复杂仪器集合在一个狭小的空间里正常工作，真是棘手的工程。

    我们在现场看到，EAST的每一个子系统，都需要更繁杂的系统来支持。比如说，空腔在注入气体前应极度接近真空，因此设置了庞大的抽气设备；还有独占一间厂房的微波产生系统，负责加热空腔里的气体；几座高耸的贮气罐，还有制冷罐，是提供超导所需低温液氦的系统的一部分；附近一个变电厂，是专门给EAST设立的。

    “托卡马克有一个具体的技术难点，是在包层设计，”李建刚说，“包层必须经受种种极端条件的考验。”EAST的包层，一开始时用的是不锈钢，现在换成了石墨。包层作用非常重大，它包含的锂要被聚变产生的中子轰击，变成氚，以继续供应聚变反应的燃料。它还要“负责一线工作”，包括“排灰”这样的脏活。“排灰”就是把聚变生成的氦原子清出去。类似任务看着简单，实现起来是很麻烦的。

    不过中国科学家还是把它做成了。2006年，EAST实现了第一次等离子态。很快，它就实现了最高连续1000秒的运行，这在当时是前所未有的成就。中国人后来居上，凭借出众的技术成就，在ITER工程中也发挥核心作用。

    通过放置在EAST炉内的摄像头，人们看到在成功聚变反应时，空腔内呈现出霓虹灯似的稀薄光芒，除了氢弹爆炸，在地球上不存在如此极端的高温。这可是几千万度的等离子体！

    还要多久？看ITER的

    资料图：技术人员在合肥安装EAST全超导非圆截面核聚变实验装置。新华社发(刘兵生摄)

    李建刚被问得最多的一个问题是，还要多久核聚变发电能投入实用？实际上，所有业界人士无法给出确切答案。之所以世界各强国合作建立ITER，也是为了让这个答案更加清晰。

    ITER装置上将装配一系列具有自中国血统的部件。根据同ITER组织达成的协议，中国承担了ITER装置近8%的采购包。包括包层壁、线圈导体等12个采购包任务，其中部分采购包的一些制造合同由中科院物质研究院等离子体所承担。

    在EAST实验室不远的一间厂房里，工作人员正在为ITER制造认证超导导体。记者在车间里看到，技术员们正在有条不紊地工作。有人在测量材料，有人在进行机械加工。车间负责人告诉我们，ITER线圈导体使用的材料和形状都比较特殊，需要特别的工艺去制造，一系列问题需要创新的办法解决。

    “在EAST立项前，国内相应的工业基础，尤其是超导工业很薄弱，”李建刚说，“我们没有相关技术储备，也没有大型超导磁体的设计制造经验，所以工作很繁重。而通过EAST项目的锻炼，我们已经有了相当的技术积淀。”

    此次中国承担ITER导体项目制造，有效提升了国内超导技术研发及工业制造水平。特别是作为超导导体制造核心技术之一的超导线材工业化规模生产技术。

资料图：核聚变反应示意图

    通过ITER项目牵引，在政府的支持和引导下，国内企业积极投入大量人力物力，经过不断努力终于突破超导线材稳定化，规模化生产技术障碍。源自中国的低温超导股线经过验证，各方面性能完全满足ITER组织要求。中国超导线材生产企业也成为ITER合格供应商。

    中方的超导导体集成技术同样体现了国际水准。在前期项目研究经费支持下，中方逐一解决了超导电缆绞制、低温钢材研发和异型导体焊接等关键集成技术。目前，中方完成的各型实验导体均一次性通过实验。中方也是除日本外，唯一实现完全国产超导导体的国家。今年年底，中方承担的磁体导体采购包开始交付第一根导体。

    ITER将在2019年开始第一次点火。届时，它将尝试把“Q”提到10，这是前所未有的一个高指标。Q就是核聚变实验器的能量“产出投入比”，越高，机器投入实用就越有希望。

    除了磁约束外，人们也在摸索用别的方式利用核聚变能，比如美国的“国家点火”装置，使用多道激光，将聚变物质压缩到高温高压态，也是一条探索的路径。

    但毫无疑问，各国的最大希望，还是倾注在ITER身上。仅仅中国就将在35年内在此项目上投入价值100亿人民币的财力与物力。“一次投入这么多钱是以前没有的，”李建刚说，“这说明中国有了足够的财力去支持科学研究。”

资料图：托克马克示意图

    今年年底，由我国承担的ITER计划任务中的首个导体部件将出关运往欧洲，这意味着我国ITER采购包制造迈出标志性的一步。

    ITER计划，即“国际热核聚变实验堆”计划，是人类将氢的同位素——氘和氚两个轻原子核聚合成较重的原子核并释放出能量的一次大胆尝试。由于核聚变也是太阳产生能量的原理，因此，ITER计划又被形象地称作“人造太阳”。在法国卡达哈什，“人造太阳”初现雏形——一个用来容纳反应堆装置的17米深的大坑已经挖成，施工人员正在里面安装用以防震的500根强化钢筋混凝土柱。

    以上种种都在为一个被追问了多次的问题——“人造太阳”的未来，做着注解。

    一个烧钱的“太阳”

    谈及核聚变，不得不提及上世纪50年代初人类就实现的氢弹爆炸。但要利用聚变时释放出的巨大能量，必须对剧烈的聚变核反应加以控制，这就是受控核聚变。

    ITER计划的目的是建造一个聚变实验堆，探索和平利用聚变能发电的科学和工程技术可行性，为实现聚变能商业应用奠定基础。该计划早期被称为“强国俱乐部”，它在1985年由美国和前苏联两国首脑倡议提出，由美、苏、欧、日共同启动。但进展并没有想象中快，从1988年开始概念设计到2001年完成《工程设计最终报告》，就花掉了13年。

    1998年，美国退出ITER计划。但在2003年我国正式加入该计划谈判期间，美国又重返这个“俱乐部”。2005年6月，中、欧、日、韩、俄、美6方共同签署了《ITER场址联合宣言》，确定将ITER场址设在卡达哈什。当年底，印度加入ITER计划谈判。2007年10月24日，ITER组织正式成立，ITER计划进入装置建造阶段。

    这项号称本世纪最为雄心勃勃的能源科技合作项目，总投资达百亿欧元。

资料图：ITER装置示意图

    中国国际核聚变能源计划执行中心副主任丁明勤介绍说，ITER项目的费用估算是以KIUA为单位的（1KIUA=1百万美元）。2001年的成本是以1989年美元不变价格来估算的，时至今日，相关材料、人工等制造费用都大幅增长，以现在货币价格计算的建造费用显然要大于原来的预估值。

    ITER组织成立后，对设计进行了评估，修改了一些设计（采用了一些新的技术、重新考虑了设备安全等），建设成本有所增加，但ITER组织已经采取并在继续采取相应的费用控制措施，包括控制项目支出、控制人员规模、节约办公成本等。

    ITER计划是有7方34个国家参与的国际合作计划，前进道路上的曲折是显见的，但是ITER也是7方34国对全世界的坚定承诺。虽然7方有不同的决策机制、不同的文化，但“信誉”对谁都是最重要的。

    商业化还得到本世纪中叶

    ITER设计总聚变功率将达到50万千瓦，是一个电站规模的实验反应堆。其作用和任务是，用具有电站规模的实验堆来证明氘、氚等离子体的受控点火和持续燃烧，验证聚变实验堆系统的工程可行性，综合测试聚变发电所需的高热流与核部件，实现稳态运行。

    “2019年实现第一等离子体，2026—2027实现氘氚聚变反应，在ITER装置上的研究至少要持续到2039年。”丁明勤告诉记者，负责ITER计划进度的专家说，实现第一等离子体放电，这是建设阶段的标志性时间节点。

    谈及商用前景，丁明勤说，ITER计划用35年时间，建造、运行一个可持续燃烧的托卡马克型聚变实验堆，以验证聚变反应堆的工程技术可行性。

资料图：受控核聚变装置

    国际核聚变界对ITER计划及其后聚变能源发展比较普遍的看法是，建造和运行ITER的科学和工程技术基础已经具备；再经过示范堆、商业聚变核电站（商用堆）两个阶段，聚变能商业化有望在本世纪中叶或者稍晚实现。

    “相对个人的生命，人类通向聚变能大规模应用的路还较长，但相对能源替代周期来讲，这一过程却不太长。”丁明勤说。

    目前，全世界有上万名科学家、工程设计和工程技术专家参与ITER装置的建造。丁明勤表示，任何科学研究、科学工程都是有风险的，但人类从来也没有在可能的风险面前停止前进的步伐。就像其他科学课题一样，有风险，也有机遇。但通过国际合作可以分担科研的风险，也可共同分享成果。

    以10%的投入“换取”100%的知识产权

    参加ITER计划，是我国对未来能源可持续发展做出的重大战略部署，我国政府给予高度重视与支持。据丁明勤介绍，目前对于我国来说，面临工程技术、工程管理、人才三大挑战。但丁明勤也表示：“我一直认为挑战就是应对问题，没有问题和挑战，就没有发展和跨越。”

资料图：科研人员正在紧张忙碌处理数据

    虽然我国已有一些托卡马克装置，但ITER装置不是在尺寸方面简单放大，从整体设计、技术和材料等各个方面，我们都面临着全新的挑战。

    ITER建设有可以预见的困难。如核聚变能源首先必须产生高达上亿度的高温等离子体；其次还要形成充分的约束，将高温等离子体维持相对足够长的时间，以便充分发生聚变反应，释放出足够多的能量等。

    按照ITER谈判结果，中方承诺承担的12个采购包制造任务（即实物贡献），基本涵盖了ITER核心关键部件，涉及环向场线圈导体、极向场线圈导体、校正场线圈、磁体支撑以及磁体馈线和校正场线圈导体等，约占建造阶段我国总贡献的80%。

    ITER装置不仅反映了国际聚变能研究的最新成果，而且综合了当今世界相关领域的顶尖技术。近几年，我国得益于ITER计划，核聚变水平提升很快。目前，我国建成世界首个全超导托卡马克EAST，已经实现100秒的偏滤器放电和长时间的高约束放电，工程和试验水平进入国际前列。HL-2A最高电子温度达5500万摄氏度，进入国际先进水平。

    “参加ITER不是目的，最重要的是为未来自主开展核聚变示范堆乃至商用堆设计、建造奠定基础。”丁明勤举例说，参与ITER计划，我国能够以10%的投入，享受100%的知识产权。但参与计划绝不仅仅是为了拿数据和图纸，更重要的是要在参与的过程中培养、锻炼一批能够掌握和利用这些知识产权的科学研究和工程技术人才。(本报记者陈瑜)