楊　天

ITER項(xiàng)目耗資將超過(guò)100億美元，作為參與國(guó)，中國(guó)將承擔(dān)10％的資金，它也是迄今為止，中國(guó)參與的最昂貴也最具挑戰(zhàn)性的大科學(xué)工程國(guó)際合作項(xiàng)目

赴合肥旅游的游客，經(jīng)常被當(dāng)?shù)嘏笥蜒?qǐng)到市郊的“科學(xué)島”。這個(gè)面積不足3平方公里的小半島，遠(yuǎn)離市區(qū)，三面環(huán)水，鳥(niǎo)語(yǔ)花香。但即使是當(dāng)?shù)厥忻褚埠苌儆腥肆私?，這個(gè)島上有個(gè)神奇的裝置，它承載了一項(xiàng)關(guān)乎人類未來(lái)的重大科研項(xiàng)目——“人造太陽(yáng)”。

“聽(tīng)到‘人造太陽(yáng)，你能想到什么?”央視《新聞會(huì)客廳》欄目記者，就此問(wèn)題在街頭隨機(jī)采訪，答案千奇百怪：燈泡、玩具、藝術(shù)品……坐在演播廳現(xiàn)場(chǎng)的中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所研究員萬(wàn)元熙，對(duì)于人們這種“美麗的誤會(huì)”報(bào)以理解的微笑。

“‘人造太陽(yáng)并不是像太陽(yáng)一樣懸掛在天空，而是建造在地球上的受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)堆或核聚變電站，它能像太陽(yáng)一樣通過(guò)核聚變反應(yīng)釋放能量，進(jìn)而發(fā)電?！比f(wàn)元熙解釋。

100年前，愛(ài)因斯坦預(yù)見(jiàn)到在原子核中蘊(yùn)藏著巨大的能量。1939年，美國(guó)物理學(xué)家貝特證實(shí)，一個(gè)氘原子核和一個(gè)氚原子核碰撞，結(jié)合成一個(gè)氦原子核，并釋放出一個(gè)中子和17.6兆電子伏特的能量。這個(gè)發(fā)現(xiàn)，揭示了太陽(yáng)“燃燒”的奧秘。

科學(xué)家初步估計(jì)，地球上的海水中蘊(yùn)藏了大約40萬(wàn)億噸氘。而1升海水提取的氫的同位素氘，在完全的聚變反應(yīng)中釋放的能量，相當(dāng)于燃燒300升汽油釋放的熱能。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。

于是，制造一個(gè)裝置，通過(guò)受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)獲得無(wú)窮盡的新能源，成為萬(wàn)元熙和全世界許多科學(xué)家的夢(mèng)想?！斑@就相當(dāng)于人類為自己制造一個(gè)或數(shù)個(gè)小太陽(yáng)，源源不斷從核聚變中得到能量?！?/p>

科技部長(zhǎng)發(fā)出“英雄帖”

整整3年前，一群中外科學(xué)家匯聚于合肥“科學(xué)島”。安靜的實(shí)驗(yàn)大廳里，所有的人都緊盯著電腦屏幕?！罢婵铡保罢！保弧暗蜏亍?，“正?！薄谝贿B串指令對(duì)話中，我國(guó)最新一代核聚變實(shí)驗(yàn)裝置首次放電，成功獲得電流超過(guò)500千安、時(shí)間近5秒的高溫等離子體放電。

裝置有個(gè)很拗口的名稱：全超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置，英語(yǔ)簡(jiǎn)稱EAST。使用這個(gè)裝置，其外圍大線圈和磁體會(huì)產(chǎn)生一個(gè)環(huán)形磁容器，在這個(gè)磁容器里面可以約束、加熱聚變的燃料，使之發(fā)生聚變反應(yīng)。

EAST的核心裝置被安放在一棟封閉建筑物內(nèi)。這是一個(gè)高12米、重400多噸的落地圓柱體大容器，這個(gè)“大鍋爐”似的裝置，被看作是“人造太陽(yáng)”的原始雛形。

用來(lái)安置EAST的實(shí)驗(yàn)大廳于2001年開(kāi)始建造，至全部竣工，共耗時(shí)5年。頂層和天花板之間，灌注了1米深的水?！八怯脕?lái)防中子輻射的。”負(fù)責(zé)EAST裝置“總控和數(shù)據(jù)采集”系統(tǒng)的專家、東華大學(xué)教授羅家融解釋說(shuō)。大廳下方，還有4米深的地下室。

2007年1月15日，EAST再次放電成功。該裝置具有完整的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，目前處于國(guó)際同類裝置領(lǐng)先水平，為中國(guó)全面參與即將建設(shè)的國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃創(chuàng)造了良好的條件。

由29位國(guó)際聚變界權(quán)威人士組成的國(guó)際顧問(wèn)委員，在評(píng)價(jià)意見(jiàn)中指出：“EAST是全世界聚變工程的非凡業(yè)績(jī)，是全世界聚變能開(kāi)發(fā)的杰出成就和重要里程碑?！?/p>

早在1998年，我國(guó)就將研制全超導(dǎo)核聚變實(shí)驗(yàn)裝置項(xiàng)目，列為“九五”期間6大科學(xué)工程之一。合肥的“科學(xué)島”成為實(shí)驗(yàn)基地。

“聽(tīng)說(shuō)我們要用2000萬(wàn)美元建造全超導(dǎo)核聚變裝置，國(guó)外沒(méi)有人相信，認(rèn)為中國(guó)人只是嘴上說(shuō)說(shuō)而已?！钡入x子體研究所副所長(zhǎng)武松濤曾在接受新華社記者采訪時(shí)回憶。

當(dāng)時(shí)，實(shí)驗(yàn)裝置上的零部件大部分在國(guó)內(nèi)沒(méi)有生產(chǎn)。武松濤曾和同事去俄羅斯考察。想買幾百個(gè)如同圓珠筆大小的重要部件。對(duì)方一個(gè)零件1400美元的報(bào)價(jià)，讓他們瞠目結(jié)舌，最后決心自己動(dòng)手做。

2006年，耗時(shí)8年、耗資2億元人民幣的世界第一座EAST裝置，在中科院等離子所建成。時(shí)任科技部部長(zhǎng)的徐冠華向世界各國(guó)科學(xué)家發(fā)出“英雄帖”：歡迎到科學(xué)島來(lái)“做實(shí)驗(yàn)”。

“這個(gè)裝置的研究成果，對(duì)即將建設(shè)的國(guó)際熱核聚變?cè)囼?yàn)堆ITER計(jì)劃的工程技術(shù)，以及物理基礎(chǔ)研究方面將有重大意義。”萬(wàn)元熙評(píng)價(jià)。

另一種材料來(lái)自月亮

石油、天然氣儲(chǔ)量告急，尋找替代能源十分急迫。

核能分裂變能和聚變能兩種，上海交通大學(xué)核科學(xué)與系統(tǒng)工程系教授曹學(xué)武告訴《瞭望東方周刊》，未來(lái)占主導(dǎo)的能源將是核聚變能和太陽(yáng)能。當(dāng)前，上述兩種技術(shù)遠(yuǎn)未成熟，而在對(duì)化石能源替代又很迫切的情況下，核裂變能是不可或缺的過(guò)渡。

但裂變需要的鈾、钚等重金屬元素儲(chǔ)量有限，其放射性也具有致命的危險(xiǎn)。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(wú)放射性污染的氦。更完美的是，未來(lái)的聚變電站會(huì)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(huì)自動(dòng)停止，不會(huì)發(fā)生像三哩島和切爾諾貝利那樣的核泄漏事故。

成本低同樣是核聚變的優(yōu)勢(shì)：1公斤濃縮鈾的成本約為1.2萬(wàn)美元，而1公斤氘僅需300美元。

聚變的優(yōu)勢(shì)還在于效率。科學(xué)家們一致看好使用氦3，聲稱全世界眼下一年所消耗的電力，只需100噸氦3就能解決。哪里能找到氦3?答案是月亮。那里的土壤含有多達(dá)100萬(wàn)噸的核聚變?nèi)剂稀?/p>

“人造太陽(yáng)”項(xiàng)目一旦實(shí)現(xiàn)商用化，人類將不必再擔(dān)心能源問(wèn)題。

7方聯(lián)手為人類尋找潔凈能源

上個(gè)世紀(jì)50年代初，美國(guó)和蘇聯(lián)率先開(kāi)始秘密研究可控核聚變，然而隨著研究的深入，理論和技術(shù)上遭遇重重障礙。自此，各國(guó)認(rèn)識(shí)到，只有開(kāi)展廣泛的國(guó)際合作，才是加速實(shí)現(xiàn)核聚變能利用的唯一可行之路。熱核聚變技術(shù)是冷戰(zhàn)時(shí)期各國(guó)仍舊保持互通有無(wú)的特例。

科學(xué)家們希望，能夠創(chuàng)造一個(gè)類似于太陽(yáng)環(huán)境的裝置，但其困難程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出預(yù)想。如果讓氘和氚發(fā)生聚變反應(yīng)，環(huán)境溫度必須達(dá)到1億攝氏度以上。在這樣的高溫下，要把氘氚氣體約束在一起，什么材料能做成容器?

1969年，蘇聯(lián)科學(xué)家提出了“托卡馬克”的概念。就是利用環(huán)形封閉磁場(chǎng)組成的“磁籠”，把那些灼熱的處于等離子狀態(tài)的燃料約束起來(lái)——這成為“人造太陽(yáng)”工程的主體。

2006年11月，來(lái)自歐盟、美國(guó)、中國(guó)、日本、印度、俄羅斯和韓國(guó)的7方代表在法國(guó)巴黎舉行的國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆計(jì)劃(簡(jiǎn)稱“ITER”)的會(huì)議上，正式簽署了聯(lián)合實(shí)驗(yàn)協(xié)定，“人造太陽(yáng)”計(jì)劃正式啟動(dòng)。占世界人口一半左右的7方，聯(lián)合為全人類尋找新的潔凈能源，其意義不亞于人類基因工程和建造國(guó)際空間站。

ITER項(xiàng)目耗資將超過(guò)100億美元，作為參與國(guó)，中國(guó)將承擔(dān)10％的資金，它也是迄今為止，中國(guó)參與的最昂貴也最具挑戰(zhàn)性的大科學(xué)工程國(guó)際合作項(xiàng)目。

“ITER”在拉丁文中意為“道路”，它并非坦途，而是布滿荊棘。

人們本來(lái)設(shè)想，有了“磁籠”(托卡馬克)，只需把氘、氚放入爐內(nèi)加火烤制，把握好“火候”，能量就應(yīng)該流出來(lái)。其實(shí)不然。人們接著遇到的麻煩是，在加熱等離子體的過(guò)程中能量耗散嚴(yán)重，溫度越高，耗散越大。一方面，高溫下粒子的碰撞使等離子體的粒子一步一步地橫越磁力線，攜帶能量逃逸；另一方面，高溫下的電磁輻射也要帶走能量。這樣，要想把氘、氚等離子體加熱到所需的溫度，不是件容易的事。

2008年開(kāi)始，ITER計(jì)劃進(jìn)入正式實(shí)施階段，實(shí)驗(yàn)堆在法國(guó)卡達(dá)拉合動(dòng)工建造。計(jì)劃預(yù)計(jì)持續(xù)35年，前10年用于建設(shè)反應(yīng)堆；后20年用于操作實(shí)驗(yàn)；最后5年是將實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)堆活化、拆除。

“和現(xiàn)在的EAST相比，ITER裝置要大5倍?！绷_家融說(shuō)。

“ITER一旦建成，就表明人類向核聚變發(fā)電邁進(jìn)了很好的一步?！辈軐W(xué)武告訴本刊記者，無(wú)論是EAST，還是即將動(dòng)工的ITER裝置，它們都只是實(shí)驗(yàn)堆，離真正的商業(yè)運(yùn)行還很遙遠(yuǎn)。在投入商業(yè)運(yùn)行之前，還需要經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)堆、預(yù)研堆、商業(yè)堆三個(gè)階段。每個(gè)階段的研究，都需要漫長(zhǎng)的研究攻關(guān)。

到2019年的未來(lái)十年中，中國(guó)將在“科學(xué)島”EAST裝置上進(jìn)行前期研究開(kāi)發(fā)，為ITER裝置的運(yùn)行和開(kāi)發(fā)做好相關(guān)準(zhǔn)備。來(lái)自中國(guó)的各類部件，將根據(jù)需求不斷運(yùn)往法國(guó)卡達(dá)拉合，為人類的又一次能源革命奠定基礎(chǔ)。