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热核聚变
中国制造,铺就能源自由之路
 ——热核聚变前沿观察之二

    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

    走进合肥中科院等离子所高大的实验厂房,十几个科研人员正在围着EAST工作。“EAST正在放假和装修,好迎来新的工作季节。”所长李建刚告诉我们。
    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。
    磁约束核聚变之所以难,是因为对“等离子体”这种物质形态,我们了解并不多。随着温度升高,物质呈现出固态、液态、气态,而温度高到上千万度,电子和原子核就彼此脱离,物质不再是一个个原子组成了,而呈现出“等离子态”。
    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。
    在EAST之前,有些装置上试用了超导系统,但全部用超导系统来形成磁场,还没有先例。中国科学家提交申请,在1998年得到国家项目,建造一个“实验的先进的超导的托卡马克”,英文简称EAST。在此之前,等离子所的经验源于他们的HT-7装置——改造自1990年代初从俄罗斯引进的一台托卡马克,加上了超导装置。而EAST的复杂,让人们可以提前感受到ITER的难度。
    记者看到的EAST,有点像一个重症监护的病人,身上插着各种管道和探测器。电源、变压器和众多的侦测设备环伺其周。
    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

    上过中学的人大概都知道,太阳用之不竭的能量,来自于高速运动的原子核的碰撞——氢的两种同位素氘和氚的原子核,聚合形成新的原子核,并且释能。威力巨大的氢弹也模拟了这一过程。而一升海水中含有的氘,如果完全聚变,放出的能量相当于300升汽油。这个迄今为止最大的资源宝库正等待人类发掘。
    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。
    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。”
    在全世界团结起来,向能源自由的梦想进军时,中国有了足够的金钱和决心参与其中,并扮演主角,这让李建刚等科学家感到光荣和踏实。
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