什么是人造太陽

【專家解說】：晨報記者:作為世界第一臺全超導的“人造太陽”，它的建成對人類的未來意味著什么? 萬元熙:它將為人類未來建造工業(yè)應用的聚變電站搭起一座橋梁。目前，在托卡馬克裝置上進行聚變反應已經(jīng)獲得不小的成功，但要實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)、長時間地運行還有很長的路要走，我們就是想通過全超導技術來解開這個“死結”，讓它運行的時間更長，從實驗逐步走向應用。 一旦聚變電站成功運行，帶給世界的變化將是革命性的。各國之間再也不用為中東的石油而發(fā)生戰(zhàn)爭。沒了石油、煤礦開采帶來的污染，二氧化碳的溫室效應、南極冰面的萎縮、海岸線的增高等等一系列現(xiàn)在人類頭疼的問題都會消失。它將給人類帶來無限清潔的能源，就像太陽給我們的一樣。 晨報記者:目前世界通行的“人造太陽”能工作多長時間?我們這臺中國“人造太陽”又能突破到怎么樣的高度? 萬元熙:世界目前的平均水平只有300多秒，如果正常運行，我們的“人造太陽”可以達到上千秒，隨著技術的成熟，未來可能達到一個星期，甚至一個月。到那時，將是非常了不起的。 晨報記者:目前，困擾“人造太陽”從實驗走向現(xiàn)實應用的難題有哪些? 萬元熙:除了剛才所說的穩(wěn)態(tài)運行問題外，材料也是一大難題，現(xiàn)在沒有哪種材料能保證在上億度環(huán)境下不會被損壞，這個問題還得靠科學家經(jīng)過無數(shù)次的實驗研制出合適的材料。 晨報記者:說到這套設備我們還是不得不提到安全問題，因為采用裂變反應技術的核電站泄漏令人們不安，你們?nèi)绾伪ＷC“人造太陽”裝置不會產(chǎn)生輻射和巨大的爆炸? 萬元熙:這是所有人關心的問題，不過，大家可以放心。“人造太陽”完全不同于裂變核電站，它采用的原料是氫和它的同位素氘，這種原料本身就沒有輻射性，雖然聚變過程中等離子體碰撞產(chǎn)生中子是一種輻射，但它是短暫的，一旦放電結束就不會再產(chǎn)生中子了，放電過程中產(chǎn)生的中子也是可防護的，通常都不能穿過我們1.5米厚的墻。 而爆炸的可能性根本不存在。雖然等離子體經(jīng)過聚變能達到上億度，但都被磁場緊緊約束住，不會膨脹。即使設備出現(xiàn)了問題，等離子體也會在瞬間消失，不會發(fā)生爆炸。 晨報記者:人們都很關心“人造太陽”何時可以運用到日常生活中? 萬元熙:我們的裝置建成后雖然可以大大地推進研究進展，但距離實際的工業(yè)應用還有很長的路要走，樂觀估計也要30到50年。由中國、美國、歐盟、日本、俄羅斯、韓國參加的國際熱核反應堆合作計劃(ITER)是一個更先進的裝置，它需要10年才能建成;材料的發(fā)明、制造需要10年;建立示范堆，檢驗它在實際應用中的效率問題等等，這又要10年。此外，還取決于各國政府在能源問題上的認識和態(tài)度，如果都非常支持，時間就短些，否則會更長。 距離當年氫彈爆炸50多年了，盡管世界上許多國家建起了核電站，人類仍然沒有看到一座核聚變發(fā)電站的出現(xiàn)。核聚變電站的誘人前景依然是人們心中一個割舍不去的夢。50年來，全世界都在為建立一個能夠控制核聚變的裝置而努力。在30多個國家建造的大大小小上百個實驗裝置上，每一次放電時間的延長人們都為之興奮;每一次溫度的提高人們都為之歡呼。因為這看似小小的進步意味著我們離聚變能的應用更近了一步。前不久，中科院等離子物理所建成的全超導的托克馬克試驗裝置調(diào)試成功，掀起了全世界對未來“人造太陽”的極大關注。 中國“人造太陽”引發(fā)世界沖擊波 “人造太陽”調(diào)試成功聽到這樣的消息人們難免心生疑問:太陽可以人造嗎?在大多數(shù)人眼中，“人造太陽”是人類復制的一個新太陽。“人造太陽”真能掛在天上嗎?它究竟是個什么樣子?中國剛剛調(diào)試成功的“人造太陽”實驗裝置又是什么呢?這個答案只有親自造太陽的人知道。 據(jù)國家“九五”重大科學工程EAST建設項目總負責人萬元熙教授介紹，引起人們猜測的“人造太陽”，就是中科院等離子物理研究所經(jīng)過8年艱苦奮斗建造成的全超導的托克馬克試驗裝置?！拔磥淼摹嗽焯枴旧鲜沁@樣，可能會更大些”。 “簡單地理解，之所以被稱作‘人造太陽’，是因為這個裝置產(chǎn)生能量的原理和太陽產(chǎn)生能量的原理一樣?！比f元熙解釋，太陽能夠發(fā)出強光，輻射到宇宙空間中去，巨大的能量來自于核聚變反應。 氫彈是瞬間的，而“人造太陽”則能持續(xù)不斷地產(chǎn)生巨大能量。我們把這種研究稱為受控熱核聚變反應。這種反應在兩條途徑中正在迅速發(fā)展。一條途徑就是造出各式各樣的磁容器來，其中一類磁容器叫做托克馬克。經(jīng)過全世界60年的努力，這類托克馬克聚變裝置已取得巨大成功。在這種裝置上已經(jīng)可以把氘的聚變?nèi)剂霞訜岬?億-5億度的高溫區(qū)，在這樣的溫度下發(fā)生大量的聚變反應。 據(jù)悉，世界上最大的托克馬克裝置歐洲聯(lián)合環(huán)的聚變功率輸出達16兆-17兆瓦，但仍只能短暫地運行。也就是說，這個磁籠只能存在幾秒、十幾秒鐘，從加熱到實現(xiàn)聚變反應只有幾秒鐘的時間?，F(xiàn)在，科學家們正在力求實現(xiàn)讓托克馬克裝置連續(xù)不斷地反應。 “一方面我們獲得了巨大進展，另一方面，能否走向穩(wěn)態(tài)運行是未來的聚變反應堆所需要的?！比f元熙表示。“我們建造的這個全超導的托克馬克試驗裝置最大的特點就是，把托克馬克已經(jīng)取得的進展過渡到穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)，為未來實現(xiàn)真正的‘人造太陽’做出重要貢獻?！? 據(jù)悉，今年七八月，全部裝置裝好僅僅是物理實驗的開始。這個物理實驗已經(jīng)引起全世界同行的很大關注和極高的興趣，因為這是到目前為止第一個全超導的、可以穩(wěn)態(tài)運行的托克馬克裝置。 萬元熙還解釋說，目前全世界所有的聚變裝置還不能被稱之為“人造太陽”。從所有裝置上得到的各種研究結果都是為未來建造真實的受控熱核聚變反應堆、聚變能電站做出重要的貢獻，奠定工程和物理基礎。沒有這些工程和物理基礎，未來建造真實的聚變反應電站是不可想象的。完美能源不是夢根據(jù)1998年世界能源組織公布的數(shù)據(jù)，地球上所蘊藏的鈾礦作為燃料只能用60年左右。不僅如此，使用鈾礦的過程中還會產(chǎn)生一些高放射性廢物，這些廢物的壽命非常長，幾千年、幾萬年仍然有放射性，對人類的環(huán)境造成另外一種污染。相比之下，聚變能源的燃料則來自于海水，1升海水中所含氫的同位素氘如果全部提取出來，放到未來的人造太陽中發(fā)生聚變反應，放出來的能量等同于燃燒300公升的汽油的能量。 可以想象，到那時人類需要的一次性的能源將是無窮盡的，不會為可持續(xù)發(fā)展而操心，不會為能源的短缺發(fā)生政治、軍事等沖突，最重要的是不會因為使用化石燃料及其他燃料污染環(huán)境。 早在氫彈爆炸成功時，前蘇聯(lián)和美國就以絕密的形式進行受控熱核聚變能的研究。由于原子彈爆炸后，十幾年的時間就研制出裂變電站，人們可以利用原子彈的裂變能量;氫彈爆炸后，我們即將獲得巨大的、無限的清潔能源。這些國家便認為，能夠成功爆炸氫彈，也可以用5年、10年或者15年的時間造出一個聚變能電站。專家表示:“我們對此非常樂觀?！? 受控熱核聚變的條件是必須加熱燃料到億萬度的高溫，把燃料約束到一個局部的小空間中。什么物質(zhì)的器皿能夠盛裝上億度的高溫燃料?這成為當前最主要的難題。耐火磚、不銹鋼都不可行，必須采用特殊方式來約束聚變?nèi)剂稀? 如果沒有物質(zhì)的器皿盛裝上億度高溫的等離子體聚變?nèi)剂希煞裼么艌鰳嬙煲粋€磁的容器來盛裝?這就產(chǎn)生了托克馬克這類磁約束聚變裝置。使用這個裝置，其外面大量的大線圈和磁體會產(chǎn)生一個環(huán)形的磁容器，在這個磁容器里面約束、加熱聚變的燃料，讓它發(fā)生聚變反應。 過去的60年，近100個大大小小的托克馬克一點點地貢獻了不同特點的技術，才使得我們敢于去建造越來越大的托克馬克聚變裝置。背景鏈接托克馬克 如何克服巨大的靜電斥力將原子核聚到一起，還要將它們的密度維持在一定水平以防不安全的能量爆發(fā)(如氫彈就是不可控的核聚變)?前蘇聯(lián)科學家在20世紀50年代初率先提出磁約束的概念，并在1954年建成了第一個磁約束裝置-形如中空面包圈的環(huán)形容器“托克馬克(Tokamak)”，又稱環(huán)流器。一般情況下，在超過10萬攝氏度的磁場中，原子中的電子就脫離了原子核的束縛，形成等離子體。帶電粒子會沿磁力線做螺旋式運動，所以等離子體就這樣被約束在這種環(huán)形的磁場中，也叫磁籠。人造太陽 億萬年來，地球上的萬物靠著太陽源源不斷的能量維持自身的發(fā)展。在太陽的中心，溫度高達1500萬攝氏度，氣壓達到3000多億個大氣壓。在這樣的高溫高壓條件下，氫原子核聚變成氦原子核，并放出大量能量。幾十億年來，太陽猶如一個巨大的核聚變反應裝置，無休止地向外輻射著能量。 核聚變能是兩個較輕的原子核結合成一個較重的原子核時釋放的能量，產(chǎn)生聚變的主要燃料之一是氫的同位素氘。氘廣泛分布在水中，每升水約含30毫克氘，通過聚變反應產(chǎn)生的能量相當于300升汽油的熱能。采集氘并使之與相關物質(zhì)聚變產(chǎn)生能量，就是“人造太陽”的原理。 根據(jù)科學家的分析，如果我們未來能建成一座1000兆瓦的核聚變電站，每年只需從海水中提取304公斤的氘就可產(chǎn)生1000兆瓦的電量。照此計算，地球上僅在海水中就含有45萬億噸氘，足夠人類使用上百億年，比太陽的壽命還要長。 1952年，當?shù)谝活w氫彈爆炸之后，人類制造核聚變反應成為現(xiàn)實，但那只是不可控制的瞬間爆炸。從那個時候開始，科學家們一直在尋找途徑，把氫彈爆炸在某個試驗裝置上加以控制，然后源源不斷地取出它的核聚變能。50多年過去了，這個夢想一直沒能實現(xiàn)。 美國、前蘇聯(lián)等國在20世紀80年代中期發(fā)起了耗資100億歐元的國際熱核實驗反應堆?ITER 計劃，旨在建立世界上第一個受控熱核聚變實驗反應堆，中國于2003年加入該計劃。中科院等離子物理研究所是這個國際科技合作計劃的國內(nèi)主要承擔單位。 1994年底，中科院等離子物理研究所建成中國第一臺超導托卡馬克裝置HT-7，使中國成為繼俄、法、日之后第四個擁有同類實驗裝置的國家。在此基礎上，專家著手研制中國“九五”重大科學工程之一-EAST。從2003年開始，EAST開始進入總裝。據(jù)介紹，該工程立項時國家投資1.65億元人民幣。推進國際合作實現(xiàn)人類夢想據(jù)悉，由于商業(yè)利益巨大，以及對人類可持續(xù)發(fā)展的重要性，一直以來所有關于“人造太陽”的試驗一直處在絕密狀態(tài)。但是，事實上，當從事這些絕密研究數(shù)十年后，所有國家都發(fā)現(xiàn)想要實現(xiàn)目標太困難了。因此發(fā)展到現(xiàn)在，受控熱核聚變的研究在全世界成為最廣泛的國際合作研究項目，已經(jīng)不再保密。 據(jù)悉，我國科學家在20世紀50年代中期就開始了可控核聚變的研究。1984年，中國核工業(yè)總公司西南物理研究院曾建成中國最大的研究核聚變的托克馬克裝置。2006年3月，中科院等離子物理研究所建造的“人造太陽”實驗裝置調(diào)試成功，意味著能夠穩(wěn)態(tài)運行的實驗裝置已經(jīng)具備實驗能力。 中科院等離子物理研究所所長李建剛說:“我們這一代科學家已經(jīng)做了50年還沒有建成‘人造太陽’。并不是說我們太笨，因為這件事情太難了，難到靠任何一個國家的財力、物力和科學技術都不可能達到。我最大的愿望就是希望有生之年能夠看到一個燈泡是用聚變能點亮的。但是客觀地講，這種愿望可能實現(xiàn)不了，因為太難了。” 雖然中科院研制的“人造太陽”實驗裝置還沒有進行真正的核聚變實驗，但是他們的調(diào)試成功已經(jīng)得到了國際聚變界的關注和稱贊。在國家“九五”重大科學工程EAST建設項目總負責人萬元熙教授看來，和30年前剛剛開始這項研究相比，國際聚變界態(tài)度的轉(zhuǎn)變讓人頗有感觸。 萬元熙談道:“過去我們與其他國家討論國際交流合作的時候，某些國家的官員總說‘我們跟你沒合作，沒有什么可獲得的’。現(xiàn)在，世界上許多著名的研究所都主動、積極地要求與中科院等離子物理研究所、中國磁約束聚變界進行廣泛合作。10多年來，隨著我國國力的強盛和改革開放的深入，一批有才干的、本土的聚變?nèi)瞬乓呀?jīng)迅速成長起來，這對中國未來聚變研究是至關重要的。中國的聚變研究不是一代人能夠?qū)崿F(xiàn)的，‘人造太陽’的夢不是一代人能夠完成的，這個夢要幾代人連續(xù)不斷的努力才能夠?qū)崿F(xiàn)。” 萬元熙回憶:“我們宣傳受控熱核聚變的時候，許多領導會緊接著問‘我們什么時候能拿到聚變能?我們什么時候能夠發(fā)電?’我告訴他們，可能還要30-50年時間?！叮磥硎翘L了?！乙f的是，與人類歷史發(fā)展的長河相比，30年、50年算什么!50年的時間中國發(fā)生了翻天覆地的變化，如果再來30-50年，我們能夠一勞永逸地解決人類可持續(xù)發(fā)展最重要的清潔能源，無限的清潔能源，30-50年不成問題?！? 據(jù)了解，研究建設“人造太陽”是一項極其耗費人力、物力、財力、時間的事業(yè)。比如，在托克馬克已經(jīng)取得巨大成功的基礎上，國際聚變界曾在1984年聯(lián)合進行下一個試驗聚變堆的設計和研究。當時有幾個不同的版本。第一個版本是用100億歐元把這個試驗反應堆建造起來，國際聚變界、各國政府都覺得花錢太多;之后改成第二個版本，用50億歐元建造，現(xiàn)在已經(jīng)得到各個國家政府的批準，中國也決定加入進來。50億歐元也僅僅能夠建造一個試驗反應堆，而這個試驗反應堆將會產(chǎn)生500兆-700兆瓦的聚變功力。 萬元熙介紹，中科院2月份進行試驗調(diào)試的時候，大概每天的電費就達5萬元左右，還不包括其他易損件的補充、更替和人力等。這樣一個裝置如果正常運行起來，每天運行和試驗的費用應當在10萬元左右。“幸運的是我們的工程調(diào)試非常成功，對于裝置的運行我們有95%的成功把握。聽到我們工程調(diào)試成功的消息后，世界上主要研究所著名科學家紛紛來電祝賀，并將于今年10月來參加我們的第二次國際顧問委員會。這就是說，我們的投入得到了非常好的回報”。