中科院的人造太陽到什么時候才有效果？

【專家解說】：幾乎完美的能源 人造太陽：難度超乎想象 進入3月，全球數(shù)千名從事核聚變研究的物理學家都在等待一份來自安徽合肥的實驗報告。他們希望中國同行帶來好消息，從而增強他們在不久的將來投入ITER(國際熱核實驗反應堆)建設的信心。 這個實驗，是對一個類似ITER核心裝置的大型設備進行聯(lián)合調(diào)試，以確定其是否能正常運轉(zhuǎn)。在實驗所在地中國科學院等離子體物理研究所，它被稱為“先進超導托卡馬克實驗裝置(英文縮寫為EAST)”。 50年來，在地球上模擬太陽內(nèi)部的核聚變反應，并把產(chǎn)生的驚人能量穩(wěn)定地輸送到電站，一直是人類未能實現(xiàn)的夢想。但一些物理學家相信，這一天肯定會來臨。他們希望通過ITER計劃向持懷疑態(tài)度的政治家和科學家證明，核聚變是一種可行的能源來源。 正因為如此，EAST實驗似乎“根本承擔不起失敗”，這讓聚集在合肥的100名核聚變專家和工程技術人員深感壓力。 幾乎完美的能源 核聚變是能源危機的終結(jié)者嗎？一些物理學家對此堅信不疑。 3月2日，一位負責給EAST降溫的工程師就認為，聚變能是今后能夠大規(guī)模甚至一勞永逸地解決人類能源問題的惟一途徑。 “站在懸崖的邊緣，我們只能再造一個‘太陽’，別無選擇?！彼f。 100年前，愛因斯坦預見了在原子核中蘊藏著巨大的能量。依據(jù)他提出的質(zhì)能方程E＝mc2，核聚變的原理看上去極其簡單：兩個輕核在一定條件下聚合成一個較重核，但反應后質(zhì)量有一定虧損，將釋放出巨大的能量。 1939年，美國物理學家貝特證實，一個氘原子核和一個氚原子核碰撞，結(jié)合成一個氦原子核，并釋放出一個中子和17.6兆電子伏特的能量。這個發(fā)現(xiàn)揭示了太陽“燃燒”的奧秘。 實際上，太陽上的聚變反應已經(jīng)持續(xù)了50億年。在宇宙中的其他恒星上，也幾乎都在燃燒著氫的同位素———氘和氚。 而氘在自然界中幾乎“取之不盡”?？茖W家初步估計，地球上的海水中蘊藏了大約40萬億噸氘。從1升海水里提取的氘，在完全的聚變反應中所釋放的能量，相當于燃燒300升汽油。如果把自然界中的氘用于聚變反應，釋放的能量足夠人類使用100億年。 在實驗室中，聚變反應的優(yōu)點被不斷發(fā)現(xiàn)——它產(chǎn)生的能量是核裂變的7倍，反應產(chǎn)物是無放射性污染的氦。更完美的是，未來的聚變電站會始終處于次臨界安全運行狀態(tài)，一旦出現(xiàn)意外，反應會自動停止，不會發(fā)生像三哩島和切爾諾貝利那樣的核泄漏事故。 1952年美國試爆了第一顆氫彈，促使科學家考慮如何控制核聚變反應在瞬間爆發(fā)的毀滅性能量，“人造太陽”之夢由此而始。 此后，石油、煤炭等化石能源日益枯竭，能源危機和溫室效應步步逼近，獲取新型能源已經(jīng)變得十分迫切。雖然風能、水能、太陽能等可再生能源不斷地被開發(fā)利用，但很難想象，它們能夠完全替代傳統(tǒng)能源。 超乎想象的難度 接下來的50年里，再造“太陽”的難度超出了所有科學家的預計。 馬里蘭大學的物理學家William Dorland在接受《自然》雜志采訪時感嘆，核聚變之所以進展緩慢，是因為“我們對等離子體的不穩(wěn)定性和紊亂性知之甚少”。 由于存在巨大的引力場，在太陽核心1500萬攝氏度、表面6000攝氏度的條件下均可輕松進行聚變反應。如果不需要控制能量輸出，在地面制造核聚變也不是棘手的難題：氫彈就是把原子彈當“火柴”，來“點燃煤球”。 但要實現(xiàn)可控，過程則極為艱難。 科學家首先要把反應燃料加熱到10萬攝氏度，成為等離子體，即電子獲得一定的能量擺脫原子核的束縛，原子核能夠完全裸露出來，為碰撞做準備。然后他們要把這些等離子體繼續(xù)加熱到上億度，使原子核擁有足夠的動能克服庫侖斥力，聚合在一起。 為了避免在瞬間產(chǎn)生巨大的能量，等離子體的密度必須維持在合適的水平。 做到了這一步，還沒有真正實現(xiàn)可控。這些上億度的等離子體，還必須在足夠長的時間里“老實地呆在容器里”，使聚變反應穩(wěn)定持續(xù)地進行，“不能以每秒超過1000公里的速度亂跑，也不能碰到容器的內(nèi)壁”。 一個難題是，用什么來裝1億度高溫的等離子體？ 前蘇聯(lián)科學家塔姆和薩哈羅夫提出磁約束的概念，期望用“無形的河床來約束河水”———環(huán)行磁場。在磁場中，帶正電的原子核會沿著磁力線做螺旋式運動。此外，高功率的激光束也被用來充當“魔瓶”。 盡管科學家突破了一個又一個障礙，但距離“太陽”的光芒依然遙遠。 中國科學院等離子體物理研究所研究員邱勵儉說，要讓“魔瓶”亮起來，必須同時解決超大電流、超強磁場、超高溫、超低溫等極限環(huán)境，牽涉真空、磁場、控制、等離子體、原子核等諸多領域的科學和技術難題。 而這“需要全世界最好的科學家和工程師一起合作，需要數(shù)國財力的共同支持”。 樂觀的估計 于是，ITER計劃應運而生。 1985年11月，美國和前蘇聯(lián)倡議在國際原子能機構(gòu)框架下，由美國、前蘇聯(lián)、日本和歐洲共同體四方參與，建設國際熱核實驗反應堆。第一個設計方案是于2010年建成一個實驗堆，實現(xiàn)1500兆瓦功率輸出，造價約需100億美元。 這個雄心勃勃的國際大科學工程，自出生之日便命途多舛。 由于當時的石油價格僅10多美元一桶，能源危機并未顯現(xiàn)，加上前蘇聯(lián)的解體和美國的退出，這個方案以及隨后“縮小版”的新方案一度擱淺。 ITER的推遲，為中國、韓國和印度等國家提供了一個“呼吸的空間”。我國在2002年表示有興趣參加ITER計劃，并在2003年成為ITER談判過程中的正式成員。 中國ITER專家委員會的一位委員說，因為對能源的迫切需求，中國才不惜血本加入ITER。根據(jù)合同，中國要承擔整個項目100億美元中10％，投入可謂史無前例。 隨后，美國宣布重返ITER，韓國和印度也先后加入。2005年6月28日，在一片爭吵聲中，ITER的建設地點最終落在法國南部的卡達拉舍。 政治角逐結(jié)束，科學家們走向前臺，他們期望這個地球上最昂貴的科學設備能帶來新能源的曙光?！爱吘梗覀冇辛藞龅?，可以做實驗了?！备鐐惐葋喆髮W物理學家Gerald Navratil說。 但是，ITER只是一個實驗堆，離發(fā)電依然十分遙遠。如果獲得成功，它的下一步是建造商業(yè)示范堆，目的是驗證商業(yè)可行性；最后還要建造商業(yè)運行堆，以驗證經(jīng)濟可行性。 “完成這些過程可能還需要50年。”中國科學院等離子體物理研究所所長李建剛強調(diào)。他樂觀地估計，“人造太陽”的出現(xiàn)，不會超過100年。 東方的曙光 在2005年7月21日出版的《自然》雜志上，來自英國原子能研究部門的物理學家David Ward打了一個賭。“我愿意和你賭100美元，別的核聚變裝置會比ITER更先開始工作?！彼f，“在歐洲，我們對聚變反應的前景很樂觀?！? 位于中國合肥的EAST就有可能是這樣一個裝置。 3月7日，EAST進入降溫實驗的第18天，邱勵儉在工程日志上記下了一個數(shù)字。他說，在這個數(shù)字的低溫下，EAST的超導線圈進入超導態(tài)，此次實驗最重要的一個目標已經(jīng)達到。 他們計劃在今年7月份前后進行首次放電實驗。 1954年，前蘇聯(lián)設計成功托卡馬克(意為環(huán)行真空磁線圈)裝置。此后，全世界建造了上百個托卡馬克裝置。其中，歐洲聯(lián)合環(huán)(JET)在1991年11月將氘氚混合燃料加熱到了3億攝氏度，獲得1分鐘的等離子體放電。 但是在強電流作用下，常規(guī)托卡馬克的磁線圈同樣會發(fā)熱。為了解決這個難題，科學家將超導技術成功應用于磁線圈，建成超導托卡馬克。 邱勵儉介紹，目前世界上的超導托卡馬克，只有法國的Tore－Supra和中國的HT－7能正常運行。 HT－7是前蘇聯(lián)贈送給中國的一套實驗裝置，經(jīng)過中國科學家的改進，它在2005年12月14日獲得了1000萬攝氏度、持續(xù)306秒的等離子體放電。這個結(jié)果，離法國的Tore－Supra只有一步之遙。 幾年前，中科院等粒子體物理研究的專家們開始設計更先進的EAST，這是一個高5米、內(nèi)直徑7.62米、重達400多噸的龐然大物。作為世界上第一個全超導托卡馬克，它與ITER的核心裝置非常接近。專家們?yōu)榇嘶ㄙM了6年時間，前后投入經(jīng)費達3億元人民幣。 “一旦它運行成功，能夠為未來降低ITER的風險提供十分寶貴的經(jīng)驗?！崩罱▌傉f。