探訪人造太陽項目 熱核聚變實驗堆計劃

2017-10-22 14:59?來源 華西都市報-封面新聞

　　探訪人造太陽項目：國際熱核聚變實驗堆計劃，被形象地稱為“人造太陽”項目，科學(xué)家預(yù)計，人造太陽將于2050年并網(wǎng)發(fā)電，核電站新能源逐漸替代傳統(tǒng)能源。

探訪人造太陽項目：10月19日，核工業(yè)西南物理研究院內(nèi)的中國環(huán)流器二號裝置。

　　想象著有一天，當(dāng)?shù)厍蛸Y源面臨枯竭的時候，人類是否可以使用“人造太陽”來獲取能源？

　　一個集結(jié)了包括中國在內(nèi)的30多個國家的頂尖科學(xué)家，目前世界上最大的科學(xué)合作工程——國際熱核聚變實驗堆計劃(簡稱“ITER”)正在有條不紊地進(jìn)行著。由于項目模擬自太陽內(nèi)部的核聚變原理，這個工程還有一個更加形象的名字：“人造太陽”。

　　視線轉(zhuǎn)移到成都，在雙流區(qū)黃荊路5號——核工業(yè)西南物理研究院，一個多達(dá)500人的團(tuán)隊正在為這個項目夜以繼日地忙碌著。

　　去年10月，由“四川團(tuán)隊”自主研發(fā)制造的國際熱核聚變核心部件“第一壁”，在國際上率先通過權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證。這是“四川智慧”對這個被譽為人類歷史上偉大事業(yè)之一的項目做出的重大貢獻(xiàn)。

　　10月20日，封面新聞-華西都市報記者走進(jìn)這個團(tuán)隊，深度探訪“人造太陽”項目背后的“四川力量”。

　　特 別 提 醒

　　今日封面新聞視頻聚焦“人造太陽”

　　解決人類能源終極問題

　　承擔(dān)著為了人類未來的百年甚至幾百年尋找新型清潔能源的使命，涉及30多個國家，世界上最大的科學(xué)合作工程——國際熱核聚變實驗堆計劃(簡稱“ITER”)正在多個國家進(jìn)行著。ITER實驗堆建在法國，建造預(yù)算約55億美元；技術(shù)方面，中國將承擔(dān)其中約9%的研發(fā)制造任務(wù)——由核工業(yè)西南物理研究院、中科院等離子體物理研究所等單位科學(xué)家具體承擔(dān)。其中，位于成都的核工業(yè)西南物理研究院承擔(dān)了其中約一半部件研發(fā)的重任。什么是“人造太陽”？它將如何解決人類能源的終極問題？請掃碼下載并登錄封面新聞APP，跟隨鏡頭，一同感受這項偉大的科學(xué)計劃背后的“四川力量”。

　　能量之大

　　攻關(guān)1億℃高溫 實現(xiàn)等離子體可控核聚變

　　萬物生長靠太陽。作為太陽系的主星，太陽內(nèi)部時刻不停地發(fā)生著核聚變反應(yīng)，為地球提供了源源不斷的光和熱。

　　怎樣才能實現(xiàn)“人造太陽”？科學(xué)家想了一個辦法，就是把一團(tuán)上億℃的等離子體火球，用磁場把它懸浮起來，跟周邊的任何容器材料不接觸。這時，就可以對它加熱、控制，進(jìn)而實現(xiàn)“受控的核聚變”，實現(xiàn)“人造太陽”。

　　等離子體天性“放蕩不羈”，更喜歡漂泊不定。如何讓其乖乖“受控”？在核工業(yè)西南物理研究院，有一個專門的裝置來盛放這一團(tuán)火球，它就是中國環(huán)流器二號A托卡馬克裝置。其主體呈甜甜圈狀，邊緣四周延伸出數(shù)十個“觸角”，形似一顆顆星星。裝置內(nèi)部，由無數(shù)根銅導(dǎo)體線圈產(chǎn)生一個封閉的磁場，用來約束分散等離子體的行為。

　　如果把試驗裝置看成一個微波爐，核工業(yè)西南物理研究院研究員、高級工程師黃梅的工作就是不斷給這個裝置加溫。給微波爐加溫的方式有很多種，黃梅的方式是其中一種，叫“電子回旋波加熱”。“簡單的說，就是通過微波注入等離子體，給微波爐添把火，讓內(nèi)部溫度不斷升高，從而讓食物更快熟透。”

　　目前，托卡馬克裝置的溫度已升至5500萬℃，這是迄今為止國內(nèi)裝置達(dá)到的最高溫度。“要實現(xiàn)受控核聚變反應(yīng)，必須達(dá)到上億℃以上高溫，以及足夠高的密度等，如果因某種原因?qū)е聴l件不能滿足，聚變反應(yīng)就會停止。”對于黃梅來說，如何持續(xù)給裝置加溫，達(dá)到“點火”要求，是他們還將繼續(xù)面臨的一個課題。

　　40萬億噸氘 將解決人類能源問題

　　上百人的團(tuán)隊，圍坐在操作大廳里。對著面前兩塊超大屏幕，觀測著相關(guān)參數(shù)的變化，眼睛都不敢亂眨，生怕漏過任何蛛絲馬跡。

　　這種高度緊張的狀態(tài)，工作十年，鐘武律每年都要經(jīng)歷兩輪。通常是3月至5月的春季實驗、11月到接近農(nóng)歷新年的冬季實驗。每一次實驗，內(nèi)部人員稱之為“一炮”。每次實驗由于耗電量非常大，放炮時間通常1至2秒。

　　作為等離子體診斷的“專職醫(yī)生”，鐘武律通過每一次實驗，發(fā)現(xiàn)等離子在約束過程的變化。兩次放炮間隔很短，只有8分鐘。因此，他們必須在8分鐘內(nèi)，做出判斷并且調(diào)整相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。“離子體的變化是非常快的，達(dá)到微秒或者毫秒級別。”因此，在行業(yè)里有句話，做等離子的分析和物理實驗，沒干夠5年，根本摸不著邊。類似鐘武律這樣的工作，還有更龐雜的分工。

　　如此繁復(fù)、浩瀚，為什么要啟動“人造太陽”計劃？在業(yè)內(nèi)人士看來，核能包含兩種方式：核裂變和核聚變。原子彈就是利用的核裂變的原理；氫彈、太陽則是核聚變的原理。人造太陽項目，也就是“受控?zé)岷司圩兡茉?rdquo;，由于其固有的安全性、無污染的優(yōu)越性、燃料資源豐富等特點，被認(rèn)為是人類最理想的潔凈能源。

　　核工業(yè)西南物理研究院聚變科學(xué)所副所長許敏進(jìn)一步解釋說，最容易實現(xiàn)的核聚變能源來自氫的同位素，氘和氚的劇烈反應(yīng)。一公升海水里提取出的氘，完全聚變反應(yīng)可釋放相當(dāng)于燃燒300升汽油的能量。科學(xué)家初步估計，地球上的海水中蘊藏了大約40萬億噸氘。另一方面，它的環(huán)境可接受性比較好，因為聚變反應(yīng)，產(chǎn)物是氦，其本身不具有放射性。在科學(xué)家們看來，核聚變一直以來被人們視為解決未來能源問題的希望。

探訪人造太陽項目：磁約束核聚變示范堆示意圖

　　什么是人造太陽？

　　把一團(tuán)上億℃高溫的等離子體火球，用磁場懸浮起來，跟周邊的任何容器材料不接觸。再對它加熱、控制，進(jìn)而實現(xiàn)“受控的核聚變”，從而實現(xiàn)“人造太陽”。

　　核工業(yè)西南物理研究院聚變科學(xué)所副所長許敏：

　　研究“人造太陽”的過程中，會產(chǎn)生大量的前沿尖端技術(shù)，期待燈泡被核聚變點亮。

　　“人造太陽”核心部件中方項目總工程師王平懷：

　　及時傳走熱量需要一種特殊的結(jié)構(gòu)，僅僅是攻克的兩種材料連接工藝，項目組提交了多達(dá)十幾項國家專利申請。

　　核工業(yè)西南物理研究院研究員、高級工程師黃梅：

　　等離子體天性“放蕩不羈”，中國環(huán)流器二號A托卡馬克裝置專門用來約束分散等離子體的行為。

　　等離子體診斷“專職醫(yī)生”鐘武律：

　　離子體的變化達(dá)到微秒或者毫秒級別，必須在實驗間隔的8分鐘內(nèi)，做出判斷并且調(diào)整相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。

　　“人造太陽”核心部件“第一壁”的中方項目總工程師王平懷，有著一張標(biāo)準(zhǔn)的“科學(xué)臉”，亦或是“工科男”面孔。任何的外界喧囂，很難在他臉上驚起太大的波瀾。開口說話時，那種嚴(yán)謹(jǐn)?shù)綐O致的風(fēng)格，讓急于在談話中尋找爆點的傾聽者，忍不住抓狂。只有當(dāng)提到“第一壁”時，他的表情才會像解凍的春水，慢慢舒展，臉上流露出無法掩飾的喜悅，一圈圈地蕩漾開來。去年12月，由王平懷團(tuán)隊自主研發(fā)制造的國際熱核聚變核心部件“第一壁”，在國際上率先通過權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證。讓中國落后于美國20年的技術(shù)，一躍從“跟跑”實現(xiàn)了“領(lǐng)跑”。

探訪人造太陽項目：機(jī)器人正在焊接“人造太陽”核心部件“第一壁”設(shè)備。(受訪單位供圖)

　　尋覓 花十年找材料

　　將美國壟斷技術(shù)造價降低90%

　　什么是第一壁？實驗裝置中的聚變物質(zhì)時刻釋放著高強(qiáng)度的熱輻射。核心區(qū)最高溫度能達(dá)到1億℃，如果材料性能不佳，要么就被高溫瞬間融化，要么就會讓反應(yīng)堆這座鍋爐熄滅。王平懷說，要構(gòu)建起“人造太陽”的核心，需要特殊的材料筑起一道“防火墻”，來抵御裝置內(nèi)部上億℃的高溫環(huán)境。在整個國際熱核聚變實驗堆計劃中，多個國家都在研制這樣的高溫核心材料。中國科學(xué)家承擔(dān)研制的這種材料，處于反應(yīng)堆最核心位置，直接面對高溫聚變物質(zhì)，因而被稱為反應(yīng)堆的“第一壁”。2006年，中國正式加入ITER，接受了研制熱核聚變反應(yīng)堆核心部件的工作。十多年來，過五關(guān)斬六將，王平懷團(tuán)隊開啟了攻克“第一壁”的漫長科研路。王平懷說，尋找“第一壁”，第一關(guān)就是材料。面對上億℃高溫的炙烤，任何普通材料瞬間就會灰飛煙滅。當(dāng)時，業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為一種特殊的金屬材料耐熱性高，是最佳選擇。彼時，世界上擁有這種材料的高純度提取和制造工藝技術(shù)的國家中，美國處于技術(shù)壟斷地位。這種高純度金屬材料，一公斤對外銷售超上百萬元人民幣。由于材料的稀缺性，美國只是少量出售。“大部分時候，是有錢都買不到的。”王平懷說。為此，從2004年2013年，團(tuán)隊成員從高純度金屬材料提取開始，進(jìn)行了長達(dá)十年的特殊材料研制工作。由王平懷所在團(tuán)隊自主研制的材料問世后，將美國壟斷價格降低了90%。

　　失落 模件決定命運

　　一年半時間失敗十幾次

　　單程將近30個小時的火車，一路從成都平原越過秦嶺之巔，再到塞外的黃沙和肅殺，最后抵達(dá)終點站寧夏的一個小城。從2014年到2015年10月，一年多里，這條跨越1300公里的鐵路線，成了王平懷所在項目組32個成員共同的夢魘，項目遇到了真正的低迷期。解決了“第一壁”材料問題后，王平懷們接下來要破解的是結(jié)構(gòu)問題。研制人員想到了一種特殊的結(jié)構(gòu)，把熱量及時地傳走。那是一塊看上去像三明治一樣的結(jié)構(gòu)，底下是不銹鋼，中間是銅合金，上面則是特殊的高純度金屬材料。再用特殊的方法，將這些材料結(jié)合到一起。如何將兩個“個性”完全不同的材料，形成一個完整的功能件，成為他們面臨的新難題。“可以說，這也是我們過去五年最痛苦的歷程。”王平懷坦言，兩者的物理性相差實在是太大。上面那層金屬材料是最輕、也是最活潑的堿性金屬元素組成，熱導(dǎo)率比銅和金差了一倍以上。兩者強(qiáng)行連接在一起，會形成一種新的物相，易脆，易斷裂。尤其是2013年底，ITER更改了相關(guān)設(shè)計，對于“第一壁”的制作要求更加苛刻。

　　這種工藝上的高難度，也讓“第一壁”研發(fā)團(tuán)隊經(jīng)歷了長達(dá)一年多的低迷期。更改設(shè)計之后，他們制作的模塊成功率不到20%。

　　王平懷至今記得那段灰暗的日子。由于四川沒有相關(guān)的機(jī)加工工廠，每次模塊的最終機(jī)加工要送到寧夏。每次從設(shè)計制作到檢測出來，大概需要三周時間。30小時的旅途，對于送模塊的人來說，疲憊，但是帶著希望。

　　從成都到塞外，風(fēng)景一路轉(zhuǎn)變。這一切對于項目組成員來說，任憑風(fēng)光無限，對他們都毫無意義。包里揣著的那幾公斤模塊件，更像是懷揣著整個項目組的心血和“第一壁”的前途與命運。

　　王平懷記得，每次成員把模塊件拿回來，32個人都會圍著兩個檢測人員。那一刻，空氣好像都凝固了，大氣不敢出，生怕把好運氣吹跑了。檢測的過程很短。很快，人群中的低氣壓便彌漫開來。彼此相視時，有的也只是互相搖頭和嘆氣。“那段時間，組里的氣氛實在太壓抑了。”王平懷說，以至于院里的領(lǐng)導(dǎo)在公開場合都要心照不宣地為他們加油打氣。

　　提交了十多項國家專利申請

　　這樣的氣氛，一直持續(xù)到2015年10月1日。

　　那天，人們都在忙于休假，“第一壁”主要成員卻早早地來到了辦公室，等待遠(yuǎn)方歸來的王平懷，那一次去寧夏送模塊的正是他。

　　有人自告奮勇去車站接他回來，然后一路小心翼翼地護(hù)送他到辦公室。過去的無數(shù)次失敗中，該排查和梳理的問題點，都已經(jīng)排查并且進(jìn)行了修正，這一次，應(yīng)該不會再出問題了吧。那天到檢測室的人并不多，只有六七個。王平懷清楚地記得，還是圍著兩個負(fù)責(zé)檢測的工作人員，空氣再次凝固。這一次，他們終于成功了。壓抑了太久的項目組，氣氛輕松起來，顧不得平時的矜持，大家緊緊擁抱在一起。由于這次創(chuàng)造性的突破，僅僅是他們攻克的兩種材料的連接工藝，項目組就提交了多達(dá)十幾項國家專利申請。

　　希望之源

　　核聚變的優(yōu)勢是顯而易見的，如何真正實現(xiàn)受控的核聚變，以至于未來的并網(wǎng)發(fā)電，還有漫長的路要走。

　　“人造太陽”并網(wǎng)發(fā)電

　　有望2050年點亮四川人的燈泡

　　到今年為止，國家“青年千人計劃”學(xué)者、核工業(yè)西南物理研究院聚變科學(xué)所副所長許敏，已經(jīng)在環(huán)流器二號A裝置上耕耘了五年。

　　過去五年里，他們?nèi)〉昧撕芏喑删汀Ｆ┤纾瑢嶒炑b置的加熱功率至少翻了一倍，加熱手段也更多了。裝置運行時，里面燃料的溫度一般是2000萬~3000萬℃，現(xiàn)在十幾毫秒甚至幾毫秒就可以達(dá)到。此外，持續(xù)加熱以及尋找諸如構(gòu)成“第一壁”這樣的高溫耐熱材料，是未來的重要命題。

　　目前，38歲的許敏還在積極培養(yǎng)后備軍，成立了一個由全國各個高校聚變領(lǐng)域的青年學(xué)子組成的課題組。他們剛剛初步建成了目前中國最大的直線等離子體裝置，目的在于尋找適合建造核聚變堆的新型耐高溫材料。“還有一個難題，來自于核聚變所需要的除了氘以外的另一種原料氚。氘和氚的劇烈反應(yīng)，才能發(fā)生聚變。”許敏說，氚的半衰期只有12.3年，而每年一個100萬千瓦的核聚變電站發(fā)電就要燃燒56公斤的氚。

　　作為地球上最稀有的元素，氚的成本非常高。許敏說，一個最好的辦法，就是在核聚變反應(yīng)中產(chǎn)生氚，并且使得氚能夠自持。這也就意味著，燃燒掉了多少氚，還要產(chǎn)生出等量的氚來。

　　雖然研究過程耗資高昂，核聚變試驗可能還要幾代人的心血，不過，許敏對于核聚變的發(fā)展還是非常樂觀。首先，在研究“人造太陽”的過程中，會產(chǎn)生大量的前沿尖端技術(shù)。很多都有廣泛的軍事和商業(yè)應(yīng)用前景。

　　以試驗中使用的高功率微波技術(shù)來說，可以廣泛使用到通信領(lǐng)域，實現(xiàn)國產(chǎn)化并能夠節(jié)省大量成本。其次，等到核聚變電站能夠并網(wǎng)發(fā)電后，核聚變能源的生產(chǎn)成本相對低廉，普通老百姓都能消費得起。“目前業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為這個時間節(jié)點是2050年。我算了一下，那個時候，我應(yīng)該可以看到。”許敏說，期待燈泡被核聚變點亮。

　　1億℃

　　等離子體天性“放蕩不羈”，要實現(xiàn)受控核聚變反應(yīng)，必須達(dá)到上億℃以上高溫，以及足夠高的密度等。目前，核工業(yè)西南物理研究院研發(fā)的托卡馬克裝置溫度已升至5500萬℃，這是迄今為止國內(nèi)裝置達(dá)到的最高溫度。如何持續(xù)給裝置加溫，達(dá)到“點火”要求，是繼續(xù)面臨的課題。

　　100萬元

　　構(gòu)建“人造太陽”核心，必須用一種特殊金屬材料筑起防火墻，這種高純度金屬一公斤對外銷售超過上百萬元人民幣。從2004年-2013年，核工業(yè)西南物理研究院團(tuán)隊進(jìn)行了長達(dá)十年的特殊材料研制，如今自主研制的材料問世后，將美國壟斷價格降低了90%。

　　2050年

　　研究過程耗資高昂，核聚變試驗可能還要幾代人的心血。等到核聚變電站能夠并網(wǎng)發(fā)電后，核聚變能源的生產(chǎn)成本相對低廉，普通老百姓都能消費得起。目前，業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為這個時間節(jié)點是2050年。

編輯： 記者張想玲攝影雷遠(yuǎn)東