張想玲+雷遠東

想象著有一天，當?shù)厍蛸Y源面臨枯竭的時候，人類是否可以使用“人造太陽”來獲取能源？

一個集結了包括中國在內(nèi)的30多個國家的頂尖科學家，目前世界上最大的科學合作工程—國際熱核聚變實驗堆計劃（簡稱“ITER”）正在有條不紊地進行著。由于項目模擬自太陽內(nèi)部的核聚變原理，這個工程還有一個更加形象的名字：“人造太陽”。

視線轉移到成都，在雙流區(qū)黃荊路5號—核工業(yè)西南物理研究院，一個多達500人的團隊正在為這個項目夜以繼日地忙碌著。

2016年10月，由“四川團隊”自主研發(fā)制造的國際熱核聚變核心部件“第一壁”，在國際上率先通過權威機構認證。這是“四川智慧”對這個被譽為人類歷史上偉大事業(yè)之一的項目做出的重大貢獻。

能量之大

攻關1億攝氏度高溫，實現(xiàn)等離子體可控核聚變

萬物生長靠太陽。作為太陽系的主星，太陽內(nèi)部時刻不停地發(fā)生著核聚變反應，為地球提供了源源不斷的光和熱。

怎樣才能實現(xiàn)“人造太陽”？科學家想了一個辦法，就是把一團上億攝氏度的等離子體火球，用磁場把它懸浮起來，跟周邊的任何容器材料不接觸。這時，就可以對它加熱、控制，進而實現(xiàn)“受控的核聚變”，實現(xiàn)“人造太陽”。

等離子體天性“放蕩不羈”，更喜歡漂泊不定。如何讓其乖乖“受控”？在核工業(yè)西南物理研究院，有一個專門的裝置來盛放這一團火球，它就是中國環(huán)流器二號A托卡馬克裝置。其主體呈甜甜圈狀，邊緣四周延伸出數(shù)十個“觸角”，形似一顆顆星星。裝置內(nèi)部由無數(shù)根銅導體線圈產(chǎn)生一個封閉的磁場，用來約束分散等離子體的行為。

如果把實驗裝置看成一個微波爐，核工業(yè)西南物理研究院研究員、高級工程師黃梅的工作就是不斷給這個裝置加溫。給微波爐加溫的方式有很多種，黃梅的方式是其中一種，叫“電子回旋波加熱”?！昂唵蔚卣f，就是通過微波注入等離子體，給微波爐添把火，讓內(nèi)部溫度不斷升高，從而讓食物更快熟透?！?/p>

目前，托卡馬克裝置的溫度已升至5500萬攝氏度，這是迄今為止國內(nèi)裝置達到的最高溫度?！耙獙崿F(xiàn)受控核聚變反應，必須達到上億攝氏度以上高溫，以及足夠高的密度等，如果因某種原因導致條件不能滿足，聚變反應就會停止。”對于黃梅來說，如何持續(xù)給裝置加溫，達到“點火”要求，是他們還將繼續(xù)面臨的一個課題。

40萬億噸氘將解決人類能源問題

上百人的團隊，圍坐在操作大廳里，對著面前兩塊超大屏幕，觀測著相關參數(shù)的變化，眼睛都不敢亂眨，生怕漏過任何蛛絲馬跡。

這種高度緊張的狀態(tài)，工作十年，鐘武律每年都要經(jīng)歷兩輪，通常是3月至5月的春季實驗、11月到接近農(nóng)歷新年的冬季實驗。每一次實驗，內(nèi)部人員稱之為“一炮”。每次實驗由于耗電量非常大，放炮時間通常為1至2秒。

作為等離子體診斷的“專職醫(yī)生”，鐘武律通過每一次實驗，發(fā)現(xiàn)等離子在約束過程的變化。兩次放炮間隔很短，只有8分鐘。因此，他們必須在8分鐘內(nèi)做出判斷并且調整相關參數(shù)的設置?！半x子體的變化是非?？斓?，達到微秒或者毫秒級別?！币虼耍谛袠I(yè)里有句話，做等離子的分析和物理實驗，沒干夠5年，根本摸不著邊。類似鐘武律這樣的工作，還有更龐雜的分工。

如此繁復、浩瀚，為什么要啟動“人造太陽”計劃？在業(yè)內(nèi)人士看來，核能包含兩種方式：核裂變和核聚變。人造太陽項目就是“受控熱核聚變能源”，由于其固有的安全性、無污染的優(yōu)越性，以及燃料資源豐富等特點，被認為是人類最理想的潔凈能源。

核工業(yè)西南物理研究院聚變科學所副所長許敏進一步解釋說，最容易實現(xiàn)的核聚變能源來自氫的同位素，氘和氚的劇烈反應。一公升海水里提取出的氘，完全聚變反應可釋放相當于燃燒300升汽油的能量?？茖W家初步估計，地球上的海水中蘊藏了大約40萬億噸氘。另外，它的環(huán)境可接受性比較好，因為聚變反應，產(chǎn)物是氦，其本身不具有放射性。在科學家們看來，核聚變一直以來被人們視為解決未來能源問題的希望。

表情之變

冷靜、堅毅，不茍言笑?！叭嗽焯枴焙诵牟考暗谝槐凇钡闹蟹巾椖靠偣こ處熗跗綉?，有著一張標準的“科學臉”。任何的外界喧囂，很難在他臉上驚起太大的波瀾。只有當提到“第一壁”時，他的表情才會慢慢舒展，流露出無法掩飾的喜悅。2016年12月，由王平懷團隊自主研發(fā)制造的國際熱核聚變核心部件“第一壁”，在國際上率先通過權威機構認證，讓中國落后于美國20年的技術，一躍從“跟跑”實現(xiàn)了“領跑”。

尋覓：花十年找材料，將美國壟斷技術造價降低90%

什么是第一壁？實驗裝置中的聚變物質時刻釋放著高強度的熱輻射。核心區(qū)最高溫度能達到1億攝氏度，如果材料性能不佳，要么被高溫瞬間融化，要么會讓反應堆這座鍋爐熄滅。王平懷說，要構建起“人造太陽”的核心，需要特殊的材料筑起一道“防火墻”，來抵御裝置內(nèi)部上億攝氏度的高溫環(huán)境。在整個國際熱核聚變實驗堆計劃中，多個國家都在研制這樣的高溫核心材料。中國科學家承擔研制的這種材料，處于反應堆最核心位置，直接面對高溫聚變物質，因而被稱為反應堆的“第一壁”。2006年，中國正式加入ITER，接受了研制熱核聚變反應堆核心部件的工作。十多年來，過五關斬六將，王平懷團隊開啟了攻克“第一壁”的漫長科研路。王平懷說，尋找“第一壁”，第一關就是材料。面對上億攝氏度高溫的炙烤，任何普通材料瞬間就會灰飛煙滅。當時，業(yè)內(nèi)普遍認為一種特殊的金屬材料耐熱性高，是最佳選擇。彼時，世界上擁有這種材料的高純度提取和制造工藝技術的國家中，美國處于技術壟斷地位。這種高純度金屬材料，一公斤對外銷售超上百萬元人民幣。由于材料的稀缺性，美國只是少量出售。“大部分時候，是有錢都買不到的?！蓖跗綉颜f。為此，從2004年到2013年，團隊成員從高純度金屬材料提取開始，進行了長達十年的特殊材料研制工作。由王平懷所在團隊自主研制的材料問世后，美國將壟斷價格降低了90%。endprint

失落：模塊決定命運，一年半時間失敗十幾次

單程將近30個小時的火車，一路從成都平原越過秦嶺之巔，再到塞外的黃沙和肅殺，最后抵達終點站寧夏的一個小城。從2014年到2015年10月，一年多時間里，這條跨越1300公里的鐵路線，成了王平懷所在項目組32個成員共同的夢魘，項目遇到了真正的低迷期。解決了“第一壁”材料問題后，王平懷團隊接下來要破解的是結構問題。如何將兩個“個性”完全不同的材料形成一個完整的功能件，成為他們面臨的新難題。“可以說，這也是我們過去五年最痛苦的歷程?！蓖跗綉烟寡裕瑑烧叩奈锢硇韵嗖顚嵲谑翘?。上面那層金屬材料是最輕、最活潑的堿性金屬元素組成，熱導率比銅和金差了一倍以上。兩者強行連接在一起，會形成一種新的物相，易脆，易斷裂。尤其是2013年底，ITER更改了相關設計，對于“第一壁”的制作要求更加苛刻。

這種工藝上的高難度，也讓“第一壁”研發(fā)團隊經(jīng)歷了長達一年多的低迷期。更改設計之后，他們制作的模塊成功率不到20%。

王平懷至今還記得那段灰暗的日子。由于四川沒有相關的機加工工廠，每次模塊的最終機加工要送到寧夏。每次從設計制作到檢測出來，大概需要三周時間。30小時的旅途，對于送模塊的人來說，疲憊，但是帶著希望。

從成都到塞外，風景一路變化不停，但任憑風光無限，對于項目組成員來說，這一切都毫無意義。揣著包里的那幾公斤模塊，更像是懷揣著整個項目組的心血和“第一壁”的前途與命運?！澳嵌螘r間，組里的氣氛實在太壓抑了?！蓖跗綉颜f。

歡悅：他們終于成功，提交了十多項國家專利申請

這樣的氣氛，一直持續(xù)到2015年10月1日。

那天，人們都在忙于休假，“第一壁”主要成員卻早早地來到了辦公室，等待遠方歸來的王平懷，那一次去寧夏送模塊的正是他。

已經(jīng)歷了無數(shù)次失敗，該排查和梳理的問題點，都已經(jīng)排查并且進行了修正，這一次，應該不會再出問題了吧。那天到檢測室的人并不多，只有六七個。王平懷清楚地記得，大家圍著兩個負責檢測的工作人員，空氣再次凝固。這一次，他們終于成功了。壓抑了太久的項目組，氣氛輕松起來，顧不得平時的矜持，大家緊緊擁抱在一起。由于這次創(chuàng)造性的突破，僅僅是他們攻克的兩種材料的連接工藝，項目組就提交了多達十幾項國家專利申請。

希望之源

核聚變的優(yōu)勢是顯而易見的，如何真正實現(xiàn)受控的核聚變，以至于未來的并網(wǎng)發(fā)電，還有漫長的路要走。

“人造太陽”并網(wǎng)發(fā)電，有望2050年點亮你家的燈泡

到2017年為止，國家“青年千人計劃”學者、核工業(yè)西南物理研究院聚變科學所副所長許敏，已經(jīng)在環(huán)流器二號A裝置上耕耘了五年。

過去五年里，他們?nèi)〉昧撕芏喑删汀Ｆ┤?，實驗裝置的加熱功率至少翻了一倍，加熱手段也更多了。裝置運行時，里面燃料的溫度是2000萬～3000萬攝氏度，現(xiàn)在十幾毫秒甚至幾毫秒就可以達到。此外，持續(xù)加熱以及尋找諸如構成“第一壁”這樣的高溫耐熱材料，是未來的重要命題。

目前，38歲的許敏還在積極培養(yǎng)后備軍，成立了一個由全國各個高校聚變領域的青年學子組成的課題組。他們剛剛初步建成了目前中國最大的直線等離子體裝置，目的在于尋找適合建造核聚變堆的新型耐高溫材料?！斑€有一個難題，來自于核聚變所需要的除了氘以外的另一種原料氚。氘和氚的劇烈反應，才能發(fā)生聚變?！痹S敏說，氚的半衰期只有12.3年，而每年一個100萬千瓦的核聚變電站發(fā)電就要燃燒56公斤的氚。

作為地球上最稀有的元素，氚的成本非常高。許敏說，一個最好的辦法，就是在核聚變反應中產(chǎn)生氚，并且使得氚能夠自持。這也就意味著，燃燒掉多少氚，要產(chǎn)生出等量的氚來。

雖然研究過程耗資高昂，核聚變實驗可能還要幾代人的心血，不過，許敏對核聚變的發(fā)展還是持非常樂觀的態(tài)度。首先，在研究“人造太陽”的過程中，會產(chǎn)生大量的前沿尖端技術。很多都有廣泛的軍事和商業(yè)應用前景。以實驗中使用的高功率微波技術來說，可以廣泛使用到通信領域，實現(xiàn)國產(chǎn)化并能夠節(jié)省大量成本。其次，等到核聚變電站能夠并網(wǎng)發(fā)電后，核聚變能源的生產(chǎn)成本相對低廉，普通老百姓都能消費得起?！澳壳皹I(yè)內(nèi)人士普遍認為這個時間節(jié)點是2050年。我算了一下，那個時候，我應該可以看到?！痹S敏說，期待燈泡被核聚變點亮。

（本文轉自《華西都市報》）endprint