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(jìn)入3月，全球數(shù)千名從事核聚變研究的物理學(xué)家都在等待一份來自安徽合肥的實(shí)驗(yàn)報告。他們希望中國同行帶來好消息，從而增強(qiáng)他們在不久的將來投入ITER(國際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆)建設(shè)的信心。 這個實(shí)驗(yàn)，是對一個類似ITER核心裝置的大型設(shè)備進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，以確定其是否能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在實(shí)驗(yàn)所在地中國科學(xué)院等離子體物理研究所，它被稱為“先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)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(yīng)，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(shí)現(xiàn)的夢想。但一些物理學(xué)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(xué)家證明，核聚變是一種可行的能源來源。 正因?yàn)槿绱?，EAST實(shí)驗(yàn)似乎“根本承擔(dān)不起失敗”，這讓聚集在合肥的100名核聚變專家和工程技術(shù)人員深感壓力。 幾乎完美的能源 核聚變是能源危機(jī)的終結(jié)者嗎？一些物理學(xué)家對此堅信不疑。 3月2日，一位負(fù)責(zé)給EAST降溫的工程師就認(rèn)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(yù)見了在原子核中蘊(yùn)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(yīng)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(xué)家貝特證實(shí)，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(shí)際上，太陽上的聚變反應(yīng)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”。科學(xué)家初步估計，地球上的海水中蘊(yùn)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(yīng)中所釋放的能量，相當(dāng)于燃燒300升汽油。如果把自然界中的氘用于聚變反應(yīng)，釋放的能量足夠人類使用100億年。 在實(shí)驗(yàn)室中，聚變反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)被不斷發(fā)現(xiàn)——它產(chǎn)生的能量是核裂變的7倍，反應(yīng)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(yùn)行狀態(tài)，一旦出現(xiàn)意外，反應(yīng)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(xué)家考慮如何控制核聚變反應(yīng)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(jī)和溫室效應(yīng)步步逼近，獲取新型能源已經(jīng)變得十分迫切。雖然風(fēng)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(xué)家的預(yù)計。 馬里蘭大學(xué)的物理學(xué)家William Dorland在接受《自然》雜志采訪時感嘆，核聚變之所以進(jìn)展緩慢，是因?yàn)椤拔覀儗Φ入x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(jìn)行聚變反應(yīng)。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(dāng)“火柴”，來“點(diǎn)燃煤球”。 但要實(shí)現(xiàn)可控，過程則極為艱難。 科學(xué)家首先要把反應(yīng)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(zhǔn)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(shí)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(shí)地呆在容器里”，使聚變反應(yīng)穩(wěn)定持續(xù)地進(jìn)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(xué)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(yùn)動。此外，高功率的激光束也被用來充當(dāng)“魔瓶”。 盡管科學(xué)家突破了一個又一個障礙，但距離“太陽”的光芒依然遙遠(yuǎn)。 中國科學(xué)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(qiáng)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(lǐng)域的科學(xué)和技術(shù)難題。 而這“需要全世界最好的科學(xué)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(yīng)運(yùn)而生。 1985年11月，美國和前蘇聯(lián)倡議在國際原子能機(jī)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(shè)國際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆。第一個設(shè)計方案是于2010年建成一個實(shí)驗(yàn)堆，實(shí)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(xué)工程，自出生之日便命途多舛。 由于當(dāng)時的石油價格僅10多美元一桶，能源危機(jī)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?yàn)閷δ茉吹钠惹行枨?，中國才不惜血本加入ITER。根據(jù)合同，中國要承擔(dān)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(shè)地點(diǎn)最終落在法國南部的卡達(dá)拉舍。 政治角逐結(jié)束，科學(xué)家們走向前臺，他們期望這個地球上最昂貴的科學(xué)設(shè)備能帶來新能源的曙光?！爱吘梗覀冇辛藞龅?，可以做實(shí)驗(yàn)了。”哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)家Gerald Navratil說。 但是，ITER只是一個實(shí)驗(yàn)堆，離發(fā)電依然十分遙遠(yuǎn)。如果獲得成功，它的下一步是建造商業(yè)示范堆，目的是驗(yàn)證商業(yè)可行性；最后還要建造商業(yè)運(yùn)行堆，以驗(yàn)證經(jīng)濟(jì)可行性。 “完成這些過程可能還需要50年?！敝袊茖W(xué)院等離子體物理研究所所長李建剛強(qiáng)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(xué)家David Ward打了一個賭?！拔以敢夂湍阗€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(yīng)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(jìn)入降溫實(shí)驗(yàn)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(dǎo)線圈進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，此次實(shí)驗(yàn)最重要的一個目標(biāo)已經(jīng)達(dá)到。 他們計劃在今年7月份前后進(jìn)行首次放電實(shí)驗(yàn)。 1954年，前蘇聯(lián)設(shè)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(qiáng)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(xué)家將超導(dǎo)技術(shù)成功應(yīng)用于磁線圈，建成超導(dǎo)托卡馬克。 邱勵儉介紹，目前世界上的超導(dǎo)托卡馬克，只有法國的Tore－Supra和中國的HT－7能正常運(yùn)行。 HT－7是前蘇聯(lián)贈送給中國的一套實(shí)驗(yàn)裝置，經(jīng)過中國科學(xué)家的改進(jìn)，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(shè)計更先進(jìn)的EAST，這是一個高5米、內(nèi)直徑7.62米、重達(dá)400多噸的龐然大物。作為世界上第一個全超導(dǎo)托卡馬克，它與ITER的核心裝置非常接近。專家們?yōu)榇嘶ㄙM(fèi)了6年時間，前后投入經(jīng)費(fèi)達(dá)3億元人民幣。 “一旦它運(yùn)行成功，能夠?yàn)槲磥斫档虸TER的風(fēng)險提供十分寶貴的經(jīng)驗(yàn)?！崩罱▌傉f。