有一天，當(dāng)?shù)厍蛸Y源面臨枯竭的時(shí)候，人類是否可以使用“人造太陽(yáng)”來(lái)獲取能源？事實(shí)上，一個(gè)集結(jié)了包括中國(guó)在內(nèi)的30多個(gè)國(guó)家的頂尖科學(xué)家，已經(jīng)展開了這項(xiàng)世界上最大的科學(xué)合作工程——國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃。

一個(gè)集結(jié)了包括中國(guó)在內(nèi)的30多個(gè)國(guó)家的頂尖科學(xué)家，目前世界上最大的科學(xué)合作工程——國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃（簡(jiǎn)稱“ITER”）正在有條不紊地進(jìn)行著。由于項(xiàng)目模擬自太陽(yáng)內(nèi)部的核聚變?cè)?，這個(gè)工程還有一個(gè)更加形象的名字：“人造太陽(yáng)”。

攻關(guān)1億攝氏度高溫，實(shí)現(xiàn)等離子體可控核聚變

萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)。作為太陽(yáng)系的主星，太陽(yáng)內(nèi)部時(shí)刻不停地發(fā)生著核聚變反應(yīng)，為地球提供了源源不斷的光和熱。

怎樣才能實(shí)現(xiàn)“人造太陽(yáng)”？科學(xué)家想了一個(gè)辦法，就是把一團(tuán)上億攝氏度的等離子體火球，用磁場(chǎng)把它懸浮起來(lái)，跟周邊的任何容器材料不接觸。這時(shí)，就可以對(duì)它加熱、控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“受控的核聚變”，實(shí)現(xiàn)“人造太陽(yáng)”。

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(gè)專門的裝置來(lái)盛放這一團(tuán)火球，它就是中國(guó)環(huán)流器二號(hào)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(gè)“觸角”，形似一顆顆星星。裝置內(nèi)部，由無(wú)數(shù)根銅導(dǎo)體線圈產(chǎn)生一個(gè)封閉的磁場(chǎng)，用來(lái)約束分散等離子體的行為。

如果把試驗(yàn)裝置看成一個(gè)微波爐，核工業(yè)西南物理研究院研究員、高級(jí)工程師黃梅的工作就是不斷給這個(gè)裝置加溫。

目前，托卡馬克裝置的溫度已升至5500萬(wàn)攝氏度，這是迄今為止國(guó)內(nèi)裝置達(dá)到的最高溫度。“要實(shí)現(xiàn)受控核聚變反應(yīng)，必須達(dá)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?qū)е聴l件不能滿足，聚變反應(yīng)就會(huì)停止。”對(duì)于黃梅來(lái)說(shuō)，如何持續(xù)給裝置加溫，達(dá)到“點(diǎn)火”要求，是他們還將繼續(xù)面臨的一個(gè)課題。

被稱為“人造太陽(yáng)”的世界首個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置

花十年找材料，將美國(guó)壟斷技術(shù)造價(jià)降低90%

“人造太陽(yáng)”核心部件“第一壁”的中方項(xiàng)目總工程師王平懷，有著一張標(biāo)準(zhǔn)的“科學(xué)臉”，抑或是“工科男”面孔。去年12月，由王平懷團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)制造的國(guó)際熱核聚變核心部件“第一壁”，在國(guó)際上率先通過(guò)權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證。讓中國(guó)落后于美國(guó)20年的技術(shù)，一躍從“跟跑”實(shí)現(xiàn)了“領(lǐng)跑”。

什么是第一壁？實(shí)驗(yàn)裝置中的聚變物質(zhì)時(shí)刻釋放著高強(qiáng)度的熱輻射。核心區(qū)最高溫度能達(dá)到1億攝氏度，如果材料性能不佳，要么就被高溫瞬間融化，要么就會(huì)讓反應(yīng)堆這座鍋爐熄滅。王平懷說(shuō)，要構(gòu)建起“人造太陽(yáng)”的核心，需要特殊的材料筑起一道“防火墻”，來(lái)抵御裝置內(nèi)部上億攝氏度的高溫環(huán)境。為此，從2004年到2013年，團(tuán)隊(duì)成員從高純度金屬材料提取開始，進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)十年的特殊材料研制工作。由王平懷所在團(tuán)隊(duì)自主研制的材料問(wèn)世后，將美國(guó)壟斷價(jià)格降低了90%。

解決了“第一壁”材料問(wèn)題后，王平懷們接下來(lái)要破解的是結(jié)構(gòu)問(wèn)題。研制人員想到了一種特殊的結(jié)構(gòu)，把熱量及時(shí)地傳走。那是一塊看上去像三明治一樣的結(jié)構(gòu)，底下是不銹鋼，中間是銅合金，上面則是特殊的高純度金屬材料。再用特殊的方法，將這些材料結(jié)合到一起。如何將兩個(gè)“個(gè)性”完全不同的材料，形成一個(gè)完整的功能件，成為他們面臨的新難題。王平懷坦言，兩者的物理性相差實(shí)在是太大。上面那層金屬材料是最輕、也是最活潑的堿性金屬元素組成，熱導(dǎo)率比銅和金差了一倍以上。兩者強(qiáng)行連接在一起，會(huì)形成一種新的物相，極脆，易斷裂。這種工藝上的高難度，也讓“第一壁”研發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)歷了長(zhǎng)達(dá)一年多的低迷期。

王平懷至今記得那段灰暗的日子。由于四川沒(méi)有相關(guān)的機(jī)加工工廠，每次模塊的最終機(jī)加工要送到寧夏。每次從設(shè)計(jì)制作到檢測(cè)出來(lái)，大概需要三周時(shí)間。

王平懷記得，每次成員把模塊件拿回來(lái)，32個(gè)人都會(huì)圍著兩個(gè)檢測(cè)人員。那一刻，空氣好像都凝固了，大氣不敢出，生怕把好運(yùn)氣吹跑了。檢測(cè)的過(guò)程很短。很快，人群中的低氣壓便彌漫開來(lái)。彼此相視時(shí)，有的也只是互相搖頭和嘆氣?！澳嵌螘r(shí)間，組里的氣氛實(shí)在太壓抑了”。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(lái)到了辦公室，等待遠(yuǎn)方歸來(lái)的王平懷，那一次去寧夏送模塊的正是他。那天到檢測(cè)室的人并不多，只有六七個(gè)。王平懷清楚地記得，還是圍著兩個(gè)負(fù)責(zé)檢測(cè)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(xiàng)目組，氣氛輕松起來(lái)，顧不得平時(shí)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(xiàng)目組就提交了多達(dá)十幾項(xiàng)國(guó)家專利申請(qǐng)。

“人造太陽(yáng)”并網(wǎng)發(fā)電，有望2050年點(diǎn)亮家里的燈泡

“還有一個(gè)難題，來(lái)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(yīng)，才能發(fā)生聚變?！焙斯I(yè)西南物理研究院聚變科學(xué)所副所長(zhǎng)許敏說(shuō)，氚的半衰期只有12.3年，而每年一個(gè)100萬(wàn)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。雖然研究過(guò)程耗資高昂，核聚變?cè)囼?yàn)可能還要幾代人的心血，不過(guò)，許敏對(duì)于核聚變的發(fā)展還是非常樂(lè)觀。以試驗(yàn)中使用的高功率微波技術(shù)來(lái)說(shuō)，可以廣泛使用到通信領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)國(guó)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(duì)低廉，普通老百姓都能消費(fèi)得起。“目前業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為這個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)是2050年。我算了一下，那個(gè)時(shí)候，我應(yīng)該可以看到?！痹S敏說(shuō)，期待燈泡被核聚變點(diǎn)亮。