"造日"计划


为了留存永恒的光和热,几千年后,人们仍然在追随夸父的脚步。

      再造一个太阳——在国际上,这样的行动已经有五十多年的历史。现在,在安徽省合肥市,中国科学院等离子体物理研究所(下称"中科院等离子体所")的科学家们,向着这个目标迈出了重要一步,他们让中国的"人造太阳"完成了{dy}次放电实验。

      这个名叫EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak,意为"实验先进超导托卡马克")的落地实验装置,是一个类似啤酒桶的重达上百吨"大容器"。

      它的秘密在于核聚变能——这种无限、清洁、安全的能源,是宇宙间包括太阳在内的所有恒星释放光和热的动力。而产生、控制和维持核聚变能就是"人造太阳"的{zj2}目标。

      在合肥,29位来自欧、美、俄、日等世界{yl}聚变研究机构的负责人及资深科学家对EAST印象深刻。而8-10年之后,在法国,由中国、美国、欧盟、俄罗斯等7方参与的国际热核实验堆——ITER(International Thermal-nuclear Experimental Reactor)将完成{dy}期工程。这是目前全世界{zd0}的国际合作项目,参与国的人口占到了全世界的三分之二。

      EAST的成功为ITER的实施提供了很多经验。"我们从头到尾走了一遍ITER的主要技术。" 中科院等离子体所副所长、EAST装置主机负责人武松涛说,ITER像一个放大版的EAST,这个更庞大的容器将会是未来聚变商业示范堆的基础。

      几百年后,地球上的煤、石油等xx能源消耗殆尽之时,"人造太阳"或许是为数不多的替代能源之一。现在,它的商业空间,人们才刚刚窥见轮廓。

      氘和氚的相聚

      太阳上的聚变反应已经持续了50亿年。在漫长的岁月里,它的内部时刻都在燃烧着氢的同位素——氘和氚。当氘和氚的原子核相聚碰撞时,会结合成一个氦原子核,并释放出一个中子和17.6兆电子伏特的能量。

      100年前,爱因斯坦用一个轻巧的质能方程式——E=mc2,给出了复制太阳的方式。核聚变的原理看上去极其简单:两个轻核在一定条件下聚合成一个较重核,反应后质量有一定亏损,这些亏损的质量将转变为巨大的能量。

      利用聚变能来发电,和传统xx能核电站相比,"人造太阳"的优势十分明显。武松涛说,聚变能"是人类寻求新能源的必然选择"。

      xx电站的原料——铀的地球储量有限,百年之内就会被用完;铀的提纯技术也相当复杂。更关键的是,铀xx时产生的碎片有很长时间的放射性,潜在的废料污染以及xx堆的安全问题都还没有妥善解决。

      聚变能采用的原料氘,在自然界中几乎取之不尽。地球海水中蕴藏了大约40万亿吨氘,用于聚变反应,释放的能量足够人类使用几十至上百亿年。

      同时,聚变反应产生的能量是核xx的7倍,反应产物是无放射性污染的氦。更xx的是,未来的聚变电站会始终处于次临界安全运行状态,反应可以随时停止,不会发生切尔诺贝利那样的核泄漏事故。

      虽然核聚变能的优势明显,反应原理简单,但自1952年美国{dy}颗氢弹爆炸至今,人们还是没能真正控制住聚变能。因为"我们对等离子体的不稳定性和紊乱性知之甚少。"马里兰大学的物理学家William Dorland说。

      由于存在巨大的引力场,在太阳表面6000摄氏度的高温条件下可以轻松进行聚变反应。但在地球上没有那么大的引力,稳定控制聚变输出的能量为人所用的过程极其艰难。

      "我们需要将燃料加热到几千万至上亿摄氏度,成为等离子体,"武松涛解释说,"当电子能够摆脱原子核的束缚,原子核才能够xx裸露出来,为原子核的碰撞做准备。"

      科学家们需要将这些等离子体继续加热到上亿度,使两个都带正电的原子核拥有足够的动能克服斥力,聚合在一起。

      这些上亿度的等离子体,还必须在足够长的时间里"老实地呆在容器里",使聚变反应稳定持续地进行,"不能乱跑,也不能碰到容器的内壁"。

      找个容器

      用什么容器来盛装上亿摄氏度的等离子体?

      前苏联科学家提出了磁约束的概念,期望用"无形的河床来约束河水"——环行磁场。在磁场中,带正电的原子核会沿着磁力线做螺旋式运动。

      EAST实验装置从内到外一共由五层部件构成。这个啤酒桶一样的大容器最外层由不锈钢制成,"相当于一个保温胆。"而最内层的环行磁容器像个巨大的中空"面包圈"。

      "面包圈"内部的等离子体将达到上亿摄氏度的高温,这也正是模拟太阳核聚变反应的关键部位。环绕在"面包圈"周围的磁体通电后会产生巨大的磁场,将等离子体揽在怀中作高速螺旋运动,而"不会到处乱跑"。

      武松涛对于等离子体研究所的综合实力很有信心,崭新的HT-7(环形磁线圈容器,俄文缩写为Tokamak)成为中国{dy}个、世界第四个超导托卡马克。

      从上世纪50年代核聚变研究开始,全世界建造了上百个托卡马克装置。但因为磁线圈发热的问题,真正能够持续放电的托卡马克几乎没有。在HT-7的研究基础上,武松涛们进而研制成世界新一代的全超导托卡马克——EAST,并在今年9月28日成功进行放电实验。这是世界{sg}投入运行的全超导非圆截面核聚变实验装置。

      武松涛强调了"全超导"的难度——在强电流作用下,磁线圈会发热。科学家将超导技术成功应用于磁线圈,成为零电阻的超导材料,能维持长时间的强电流,产生持久的强磁场。

      ITER的未来

      尽管是一个不小的突破,但EAST也仅是未来聚变实验堆的一个雏形,真正的实验堆ITER非一国之力所能完成。

      武松涛介绍说,最早美英俄独自研究聚变反应堆,试图尽早进入商业应用。"但它们在研究三五年之后,发现实在太难了",仅靠一国之力根本无法成功。而能源危机的逐步显现,使聚变能的重要性为各国所认知。

      1985年11月,美国、前苏联、日本和欧洲共同体四方参与建设国际热核实验反应堆ITER。之后,中国、韩国、印度陆续加入。ITER装置所需要的各项技术和设备将由7方共同参与。而关于ITER的选址争议,一度令这个{zd0}的国际合作项目陷于停滞。

      据武松涛分析,争取ITER选址本国,至少有两点好处:其一,装置所在国的工作人员会占到整个项目的50%。欧盟预计,该项目将直接为承建国提供3000个就业岗位;其二,ITER代表了世界未来能源科技的{zg}水平,参与ITER的设计、建造和研究,能带动当地的钢铁、电力、建筑、运输等各行业的经济发展。

      最初在讨论ITER安家问题时,"中国考虑到主办国要承担50%的贡献,并且技术上有一些问题,并没有自告奋勇"。而日本、法国、西班牙、加拿大同时提出要承建。

      欧洲研究人员认为,若反应堆建在日本六所村,地y震风险太大。日本则认为,法国的卡达拉舍远离海岸,很难安全地运输大型设施。反复谈判商讨之后,卡达拉舍成为{zh1}选址地。

      目前参与ITER的7方已经有了分工,每个国家都要贡献部件和技术,最终到法国去组装。因为ITER建在欧洲,欧盟需要出50%的贡献率。剩下的由其他6方分工。按照计划,中国要贡献10%的部件和技术,这包括超导技术、大功率电源技术、遥控技术、包层的技术等等。

      据武透露,整个ITER的项目费用需要100亿欧元,包括装置、建筑、子系统的建设需要50亿欧元,这{dy}期工程建设时间是8到10年,大约在2016年于法国建成。

      但ITER只是一个实验堆,离发电依然十分遥远。如果获得成功,它的下一步是建造商业示范堆和商业运行堆。ITER建成后,如果运行5-10年还比较正常,武松涛说,参与这个研究的国家"要么是联合起来做一个示范堆,要么就各自做各自的示范堆,那个时候大家还能不能合作就很难说"。

      今年11月份,中国科技部部长徐冠华将跟其他6方签署"ITER联合实施协定"的正式协议。武松涛说,不管怎么样,商业应用乐观估计30年就可以实现,最悲观的估计也就50年以后。