李忠東

太陽(yáng)的光和熱來(lái)自太陽(yáng)的核聚變，氫原子核在太陽(yáng)的核心處碰撞，融合成更重的氦原子，并釋放出大量能量，成為太陽(yáng)的能量來(lái)源，也是維持地球生命的能量來(lái)源。

據(jù)科學(xué)家測(cè)算，太陽(yáng)每秒鐘釋放的能量相當(dāng)于900億個(gè)當(dāng)量在百萬(wàn)噸級(jí)核彈爆炸所釋放的能量，地球能夠接收到的太陽(yáng)發(fā)出的能量，占比僅僅達(dá)到二十二億分之一?？删褪沁@么一點(diǎn)看似不起眼的比例，為地球維持相對(duì)穩(wěn)定的溫度、生命體的誕生和生物的發(fā)展演化提供了充足的保障。在構(gòu)成太陽(yáng)的物質(zhì)中，氫元素和氦元素占太陽(yáng)總質(zhì)量的98.2%（其中以氫元素為主，占71%左右），氧、碳、鐵、氖、氮、硅、鎂等元素組成剩下不到2%的質(zhì)量。太陽(yáng)之所以能將氫的同位素氘和氚聚合成氦，釋放出取之不竭的熱核聚變能源，在于它內(nèi)部有1.5億°C以上的高溫和3000億個(gè)大氣壓的超高氣壓。

隨著全球人口增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，能源需求將持續(xù)增長(zhǎng)，尋找未來(lái)能源成為當(dāng)務(wù)之急。2020年12月4日，新一代“人造太陽(yáng)”裝置——中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M裝置（HL-2M）在成都建成并實(shí)現(xiàn)首次放電，這意味著中國(guó)再度加快了在未來(lái)能源探索方面的步伐。

人類未來(lái)能源的希望

地球化石燃料有限、不可再生，而且有污染;風(fēng)能和水能不穩(wěn)定;人類核電站所用的核裂變?cè)嫌邢?，還核廢料有放射性污染。而可控核聚變不排放有害氣體，有利于解決當(dāng)前的環(huán)境污染問(wèn)題。核聚變的原料是氫的同位素（氘和氚），地球上含量極為豐富。氘在海水中儲(chǔ)量極大，1升海水里提取出的氘，在完全聚變反應(yīng)后，可釋放相當(dāng)于燃燒300升汽油的能量。科學(xué)家提出，既然太陽(yáng)的能量來(lái)自其內(nèi)部的核聚變反應(yīng)，那么人類也可以模擬太陽(yáng)產(chǎn)生能量的原理，研發(fā)人為可控核聚變技術(shù)制造“太陽(yáng)”。

從核裂變到核聚變，從不可控到可控，雖然僅一字之差，但技術(shù)難度的差別太大了?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，最有效的聚變反應(yīng)是氘和氚之間的反應(yīng)，能在所謂“最低的溫度”下產(chǎn)生最高的能量增益。要進(jìn)行核聚變反應(yīng)，首先必須提高物質(zhì)的溫度，使原子核和電子分開(kāi)，處于這種狀態(tài)的物質(zhì)稱為等離子體。但是，都帶正電的原子核之間會(huì)互相排斥，很難接近彼此。想要發(fā)生核聚變，必須保證等離子體的溫度（增加發(fā)生碰撞的可能性）、密度和封閉時(shí)間（等離子體很快就會(huì)飛散開(kāi)來(lái)，所以必須先將其封閉）。

在太陽(yáng)里，可以利用巨大的引力使等離子體封閉。那么，在實(shí)驗(yàn)室中怎么辦呢？一種方法便是利用磁場(chǎng)。當(dāng)?shù)入x子體帶電時(shí)，電荷被卷在磁力線上。只要制造出磁場(chǎng)，就能夠?qū)⒌入x子體封閉，使它們懸浮在真空中。20世紀(jì)50年代，科學(xué)家首次提出托卡馬克的概念。托卡馬克是一種利用磁約束來(lái)實(shí)現(xiàn)受控核聚變的環(huán)形容器，中央設(shè)計(jì)成一個(gè)環(huán)形真空，外面圍繞著線圈，氘和氚被注入托卡馬克。通電時(shí)，托卡馬克的內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生巨大的螺旋形磁場(chǎng)，加熱直到它們變成等離子體。當(dāng)?shù)入x子體達(dá)到1.5億攝氏度時(shí)，即發(fā)生聚變。原子聚變產(chǎn)生的能量以熱的形式被容器壁吸收，就像傳統(tǒng)的發(fā)電廠一樣，聚變發(fā)電廠將利用這些熱量產(chǎn)生蒸汽，然后通過(guò)渦輪和發(fā)電機(jī)發(fā)電。

中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M裝置實(shí)現(xiàn)首次發(fā)電

我國(guó)20世紀(jì)50年代著手可控聚變研究，目前一直處在國(guó)際先進(jìn)水平，在全球民用核聚變技術(shù)方面走在世界最前列。1970年開(kāi)始自主設(shè)計(jì)、研發(fā)投建第一座“人造太陽(yáng)”實(shí)驗(yàn)裝置——“中國(guó)環(huán)流器一號(hào)”，直至1984年建成。在“中國(guó)環(huán)流器一號(hào)”的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)重新改建，1994年“中國(guó)環(huán)流器新一號(hào)”竣工建成。2002年又建成了第一個(gè)具有偏濾器位形的托卡馬克裝置——“中國(guó)環(huán)流器二號(hào)A”（HL-2A）。在前三座裝置的基礎(chǔ)積累下，“中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M”（HL-2M）成功改造升級(jí)，成為我國(guó)規(guī)模最大、參數(shù)最高的先進(jìn)磁約束托卡馬克裝置。中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M裝置（HL-2M）是我國(guó)自主設(shè)計(jì)建造，采用了先進(jìn)的結(jié)構(gòu)和控制方式，具有先進(jìn)的偏濾器位形的優(yōu)勢(shì)。它的體積是目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有裝置的兩倍以上，等離子體電流的能力可以提高到2.5兆安培，等離子體離子的溫度可以達(dá)到1.5億°C，相當(dāng)于太陽(yáng)核心溫度的10倍。

在中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M裝置（HL-2M）的建設(shè)過(guò)程中，核工業(yè)西南物理研究院聯(lián)合國(guó)內(nèi)多家研制單位，在裝置物理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、特殊材料研制、材料連接與關(guān)鍵部件研發(fā)、總裝集成等方面取得了多項(xiàng)突破，實(shí)現(xiàn)了可拆卸線圈結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了控制運(yùn)行水平，提升了裝置的物理實(shí)驗(yàn)研究能力;攻克了高鎳合金雙曲面薄壁件大型真空容器模壓成型和焊接變形控制等關(guān)鍵技術(shù);掌握了具有國(guó)際先進(jìn)水平的異形銅合金厚板材制造成型工藝，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度膨脹螺栓組件的自主國(guó)產(chǎn)化;研制成功具有國(guó)際先進(jìn)水平的國(guó)內(nèi)首臺(tái)大型立軸脈沖發(fā)電機(jī)組。以中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M裝置（HL-2M）建設(shè)為牽引，西物院掌握的特種材料、關(guān)鍵設(shè)備、極端條件精密制造等關(guān)鍵技術(shù)，已形成“同步輻射”效應(yīng)，在航空、航天、電子等前沿領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)新應(yīng)用。

核聚變實(shí)驗(yàn)的世界主流是強(qiáng)磁場(chǎng)約束托卡馬克聚變，“東方超環(huán)”（EAST）是我國(guó)第四代核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，也是全球首個(gè)非圓截面全超導(dǎo)托卡馬克聚變裝置。作為國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）的前沿實(shí)驗(yàn)基地，EAST控制大廳的很多參數(shù)是共享的，吸引著來(lái)自各國(guó)的科學(xué)家。他們圍繞高參數(shù)長(zhǎng)脈沖等離子體相關(guān)科學(xué)技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行很多國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)，獲得了一系列新成果和大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為未來(lái)更高參數(shù)的長(zhǎng)脈沖物理實(shí)驗(yàn)奠定了很好的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)。

2017年12月5日，由中國(guó)自主設(shè)計(jì)和研制并聯(lián)合國(guó)際合作的重大科學(xué)工程——中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（CFETR）正式啟動(dòng)。CFETR計(jì)劃分三步走：第一階段到2021年，開(kāi)始立項(xiàng)建設(shè);第二階段到2035年，計(jì)劃建成聚變工程實(shí)驗(yàn)堆，開(kāi)始大規(guī)?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn);第三階段到2050年，聚變工程實(shí)驗(yàn)堆實(shí)驗(yàn)成功，建設(shè)聚變商業(yè)示范堆，完成人類終極能源。CFETR對(duì)解決能源危機(jī)問(wèn)題具有重要意義，將推動(dòng)我國(guó)跨入世界聚變能研究開(kāi)發(fā)先進(jìn)行列，成為參與全球科技競(jìng)爭(zhēng)與合作的重要力量。我們對(duì)未來(lái)充滿信心，第一個(gè)點(diǎn)亮核聚變之光的一定是中國(guó)。

攜手播種“太陽(yáng)”

雖然世界上已經(jīng)有數(shù)百個(gè)托卡馬克被建造出來(lái)了，但要利用托卡馬克裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)熱核聚變的控制，在關(guān)鍵技術(shù)上仍存在很大挑戰(zhàn)，需凝聚全世界之力共同攻克。1985年提出的國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國(guó)際科研合作項(xiàng)目之一，旨在為大規(guī)模核聚變進(jìn)行概念驗(yàn)證，包括驗(yàn)證核反應(yīng)堆級(jí)別的裝置主機(jī)集成技術(shù)、驗(yàn)證裝置的穩(wěn)定運(yùn)行能力、實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)的輸出功率至少10倍于輸入功率和演示50萬(wàn)千瓦聚變反應(yīng)功率的可靠運(yùn)行。

ITER是第一個(gè)實(shí)現(xiàn)“燃燒”或自加熱等離子體的項(xiàng)目，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)以往的嘗試，將成為世界上最大的，也是第一個(gè)真正意義上的“人造太陽(yáng)”。在法國(guó)南部建造的這個(gè)能產(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應(yīng)的超導(dǎo)托卡馬克裝置，驗(yàn)證如何將足夠多的燃料在極端高溫條件下約束足夠長(zhǎng)的時(shí)間，使它受控制地發(fā)生核聚變反應(yīng)。整套裝置高30米，直徑28米，重達(dá)2.3萬(wàn)噸，包含數(shù)百萬(wàn)個(gè)零件，其中超導(dǎo)磁體重近3000噸，由超導(dǎo)電纜連接。ITER將歷時(shí)35年，其中建造階段10年、運(yùn)行和開(kāi)發(fā)利用階段20年、去活化階段5年。

我國(guó)在發(fā)展可控聚變技術(shù)的同時(shí)，也注重加強(qiáng)國(guó)際合作，2003年正式加入ITER計(jì)劃。作為ITER計(jì)劃7個(gè)合作方（中國(guó)、歐盟、美國(guó)、俄羅斯、日本、韓國(guó)和印度）之一，我國(guó)承擔(dān)了其中約9%的科研建設(shè)任務(wù)，同時(shí)享有5%以上的職員配比。隨著ITER計(jì)劃的推進(jìn)和我國(guó)科技實(shí)力的增強(qiáng)，這一比例在不斷上升。無(wú)論是在執(zhí)行進(jìn)度還是在完成質(zhì)量方面，均處于其他合作方的前列，且創(chuàng)造了多項(xiàng)技術(shù)第一。2020年6月，由中科院合肥研究院等離子體所自主研制的極向場(chǎng)6號(hào)超導(dǎo)線圈運(yùn)抵ITER總裝現(xiàn)場(chǎng)。該線圈總重超400噸，是實(shí)驗(yàn)堆主機(jī)最重要的構(gòu)件之一，也是目前國(guó)際上質(zhì)量最大、研制難度最高的超導(dǎo)磁體。中國(guó)以快速的工程反應(yīng)和科研進(jìn)步，成為各合作方中兌現(xiàn)國(guó)際承諾的典范。

2020年7月28日，ITER在法國(guó)南部卡達(dá)拉舍舉行安裝啟動(dòng)儀式，開(kāi)始了為期5年的組裝階段，標(biāo)志著這個(gè)人類歷史上最大的核聚變項(xiàng)目進(jìn)入新的階段。組裝過(guò)程完成后，該設(shè)施將模擬太陽(yáng)產(chǎn)生能量的核聚變過(guò)程，開(kāi)始產(chǎn)生聚變能量所需的超熱等離子體。第一個(gè)超熱等離子體預(yù)計(jì)將在2025年底產(chǎn)生，不過(guò)這一項(xiàng)目仍存在一些技術(shù)挑戰(zhàn)。

2020年8月31日，ITER托卡馬克裝置杜瓦下部筒體吊裝工作圓滿完成，拉開(kāi)了國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆主設(shè)備安裝序幕。杜瓦下部筒體直徑30米，高10米，重約400噸，尺寸大約占ITER托卡馬克裝置的1/3。作為ITER計(jì)劃工程安裝啟動(dòng)儀式后的第一個(gè)重大部件安裝，精度和形變控制要求極高。中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)有限公司牽頭的中法聯(lián)合體技術(shù)團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了此次吊裝，技術(shù)人員反復(fù)進(jìn)行計(jì)算確認(rèn)，對(duì)吊具的尺寸、現(xiàn)場(chǎng)吊裝路徑以及用于就位調(diào)整的工具進(jìn)行反復(fù)模擬，在理論上確保了吊裝安裝工作的安全。在正式吊裝前，還多次組織吊裝方案推演并進(jìn)行吊裝試驗(yàn)，確保調(diào)整工具和支撐工具狀態(tài)安全可用。

“我有一個(gè)美麗的愿望，長(zhǎng)大以后能播種太陽(yáng)......到那個(gè)時(shí)候，世界每一個(gè)角落，都會(huì)變得，都會(huì)變得溫暖又明亮......”如果“人造太陽(yáng)”商業(yè)聚變得以實(shí)現(xiàn)，那么這一代人很可能在有生之年看到能源的徹底革命，我們拭目以待吧！