《流浪地球》《復(fù)仇者聯(lián)盟》……在許多科幻電影中，核聚變往往成為終極能源被人類(lèi)所掌握。近日，記者跟隨國(guó)務(wù)院國(guó)資委新聞中心組織的“科幻作家走進(jìn)新國(guó)企”活動(dòng)，來(lái)到位于四川省成都市的中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“核西物院”），近距離接觸現(xiàn)實(shí)版“人造太陽(yáng)”的聚變力量，親身感受受控核聚變的前世今生。
HL-2A助推我國(guó)躋身核聚變能源開(kāi)發(fā)國(guó)際先進(jìn)水平
“核裂變是由重的原子核分裂為輕的原子核，釋放中子并發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)；而核聚變則是裂變相反的核反應(yīng)形式，由較輕的原子核變化為較重的原子核。”核西物院院長(zhǎng)劉永表示。
資料顯示，目前在運(yùn)核電站利用的核能均由核裂變產(chǎn)生，而核聚變釋放的能量比核裂變更大。在人工控制下的聚變?yōu)槭芸鼐圩?，在受控情況下釋放能量的聚變裝置，稱(chēng)為聚變反應(yīng)堆或聚變堆。
劉永介紹，太陽(yáng)猶如一個(gè)巨大的核聚變反應(yīng)裝置，不斷地向外輻射能量，向地球輸送能源。由于受控核聚變裝置的基本物理原理與太陽(yáng)內(nèi)部核反應(yīng)的機(jī)理相仿，所以這種裝置被形象地稱(chēng)為“人造太陽(yáng)”。
當(dāng)然，距離完全掌握受控核聚變技術(shù)還存在一段征程，但是人類(lèi)從未停止對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的探索，位于核西物院內(nèi)的中國(guó)環(huán)流器二號(hào)A（HL-2A）就是最好的證明。
據(jù)介紹，HL-2A是我國(guó)第一個(gè)帶偏濾器的大型托卡馬克聚變研究裝置，為我國(guó)的受控核聚變研究提供了重要的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。來(lái)到容納HL-2A的“車(chē)間”，巨大且復(fù)雜成為對(duì)該裝置的第一印象。仔細(xì)觀(guān)察，該裝置占地面積可達(dá)上百平方米，整體外形類(lèi)似一個(gè)大型的輪胎，周?chē)佋O(shè)的管路、線(xiàn)圈等各種輔助設(shè)備使整個(gè)裝置多了幾分神秘的色彩。
而這也僅僅是HL-2A的主體部分，據(jù)劉永介紹，HL-2A還有多個(gè)輔助系統(tǒng)分布于不同的廠(chǎng)房?jī)?nèi)。
“中國(guó)環(huán)流器二號(hào)A的輔助系統(tǒng)包括5兆瓦電子回旋器加熱系統(tǒng)、3MW中性束注入加熱系統(tǒng)、高性能計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以及30多種50余臺(tái)套診斷系統(tǒng)等。”劉永補(bǔ)充道。
而基于HL-2A，我國(guó)在核聚變領(lǐng)域也取得了諸多成果。據(jù)介紹，HL-2A于2002年建成投入使用；2006年，HL-2A裝置等離子體子溫度達(dá)到5500萬(wàn)攝氏度，向聚變所需的億度高溫邁進(jìn)了一大步；2009年，HL-2A裝置國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了偏濾器位形下高約束模式運(yùn)行，標(biāo)志著我國(guó)已躋身核聚變能源開(kāi)發(fā)國(guó)際先進(jìn)水平。
據(jù)記者了解，在高密度條件下，等離子體溫度一旦達(dá)到1億攝氏度以上，可使數(shù)目可觀(guān)的粒子具有足夠動(dòng)能克服原子核間斥力而實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)，產(chǎn)生可觀(guān)的聚變能。對(duì)此，劉永也透露，核西物院將于今年底建成中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M裝置（HL-2M），屆時(shí)裝置內(nèi)等離子體溫度將超過(guò)1億攝氏度，具備開(kāi)展堆芯等離子體研究的條件。
我國(guó)已制定“三步走”核能發(fā)展戰(zhàn)略
那么受控核聚變作為未來(lái)能源有何優(yōu)勢(shì)？針對(duì)這一問(wèn)題，劉永向記者表示：“核聚變能是人類(lèi)最理想的能源，其固有安全性較高，產(chǎn)生的放射性廢物極少，環(huán)境可接受性較為良好。”
另外，劉永介紹，核聚變反應(yīng)的原料也極為充足。由于在所有核聚變反應(yīng)中，氫的同位素氘和氚的核聚變反應(yīng)最容易實(shí)現(xiàn)，而氘在海水中儲(chǔ)量極為豐富，從一升海水中提出的氘，在完全的聚變反應(yīng)中可釋放相當(dāng)于燃燒300升汽油的能量。
我國(guó)在上世紀(jì)50年代就開(kāi)始了對(duì)核聚變的研究。隨后在1965年，核西物院在四川建立，成為了我國(guó)最早的聚變研究專(zhuān)業(yè)院所，并先后建立了角向箍縮、仿星器、磁鏡、反場(chǎng)箍縮等不同類(lèi)型的裝置。
時(shí)間軸來(lái)到上世紀(jì)70年代末到80年代初，彼時(shí)，我國(guó)開(kāi)始在托卡馬克型裝置上進(jìn)行了重點(diǎn)研究。1984年，在核西物院建成的中國(guó)環(huán)流器一號(hào)（HL-1）成為我國(guó)自主設(shè)計(jì)建造的第一個(gè)聚變大科學(xué)工程裝置，榮獲國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)，標(biāo)志著我國(guó)受控核聚變研究進(jìn)入大規(guī)模物理實(shí)驗(yàn)階段。
而在上世紀(jì)90年代，我國(guó)也制定了熱堆、快堆、聚變堆的“三步走”核能發(fā)展戰(zhàn)略?？梢哉f(shuō)，為了實(shí)現(xiàn)發(fā)展戰(zhàn)略中的第三步，我國(guó)的科學(xué)家們已投入半個(gè)世紀(jì)時(shí)間去探索研究。
當(dāng)然，研究核聚變的事業(yè)并不是一路坦途。“核聚變技術(shù)還面臨諸多問(wèn)題等待我們?nèi)ヌ剿鳌?rdquo;在談及核聚變研究目前的瓶頸時(shí)，劉永坦言。
“1億攝氏度以上的高溫、長(zhǎng)時(shí)間約束在有限的空間中、足夠高的密度是受控核聚變的三大條件。而在如此高的溫度下，物質(zhì)已經(jīng)成為等離子體，這是除固體、液體和氣體之外的第四種形態(tài)，我們對(duì)于該形態(tài)的認(rèn)知還有待加強(qiáng)，而如何約束等離子體，也成為核聚變實(shí)驗(yàn)的重中之重。另外，還有核聚變裝置的材料選擇等方面的問(wèn)題，都需要我們?nèi)ヌ剿餮芯俊?rdquo;劉永表示。
參與ITER計(jì)劃為世界聚變研究貢獻(xiàn)中國(guó)力量
面對(duì)受控核聚變這一未來(lái)能源，共同研究、共同探索成為全球各國(guó)的選擇。在此背景下，“國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃”也應(yīng)運(yùn)而生。
據(jù)介紹，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，同時(shí)，ITER也將是世界上第一個(gè)聚變實(shí)驗(yàn)堆，是最終實(shí)現(xiàn)磁約束聚變能商業(yè)化必不可少的關(guān)鍵一步。2006年11月21日，中國(guó)、歐盟、印度、日本、韓國(guó)、俄羅斯和美國(guó)七方正式簽署ITER計(jì)劃的聯(lián)合實(shí)施協(xié)定及相關(guān)文件。
“ITER是世界上在建的最大、最復(fù)雜的托卡馬克裝置，也是技術(shù)最先進(jìn)的‘人造太陽(yáng)’。它的體積接近天壇的祈年殿，高30米，直徑28米，重達(dá)1萬(wàn)噸。”劉永介紹道。
而在ITER計(jì)劃中，中國(guó)也發(fā)揮了重要的作用。
“我國(guó)承擔(dān)了ITER裝置9%的采購(gòu)包制造任務(wù)，如包層第一壁就由我國(guó)承擔(dān)制造，目前我國(guó)已成為除歐盟外承擔(dān)任務(wù)最多的國(guó)家。”劉永介紹道，核西物院作為我國(guó)參與ITER計(jì)劃的主要技術(shù)支撐和研制任務(wù)主要承擔(dān)單位之一，承擔(dān)了我國(guó)ITER采購(gòu)包任務(wù)中絕大部分涉核部件的研發(fā)與加工制造任務(wù)。
在參與ITER計(jì)劃采購(gòu)包制造任務(wù)的同時(shí)，我國(guó)核聚變領(lǐng)域的研究也獲得了諸多突破。如316LN奧氏體控氮不銹鋼、鎳基718和A286高溫合金等材料的成功研制，提升了我國(guó)聚變堆關(guān)鍵材料的研發(fā)能力，為中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆(CFETR)的設(shè)計(jì)與建造提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐；建成一系列從室溫到極低溫(-269℃) 的材料和部件測(cè)試平臺(tái)，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，在支撐ITER計(jì)劃制造任務(wù)順利實(shí)施的同時(shí)，還可應(yīng)用于航空、航天、軍工等高端領(lǐng)域。
而ITER計(jì)劃也并非聚變研究的終點(diǎn)，未來(lái)，采用聚變技術(shù)的試驗(yàn)堆、原型電站也均有望走向臺(tái)前，聚變的發(fā)展脈絡(luò)也已逐漸明晰，人類(lèi)掌握受控核聚變或也不再遙遠(yuǎn)。(記者 白宇)
