位于中國(guó)合肥的EAST裝置正在進(jìn)行調(diào)試。一旦它運(yùn)行成功，能夠?yàn)槲磥?lái)降低ITER的風(fēng)險(xiǎn)提供十分寶貴的經(jīng)驗(yàn)。徐彬／圖
進(jìn)入3月，全球數(shù)千名從事核聚變研究的物理學(xué)家都在等待一份來(lái)自安徽合肥的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。他們希望中國(guó)同行帶來(lái)好消息，從而增強(qiáng)他們?cè)诓痪玫膶?lái)投入ITER(國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆)建設(shè)的信心。
這個(gè)實(shí)驗(yàn)，是對(duì)一個(gè)類(lèi)似ITER核心裝置的大型設(shè)備進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，以確定其是否能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在實(shí)驗(yàn)所在地中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所，它被稱為“先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置(英文縮寫(xiě)為EAST)”。
50年來(lái)，在地球上模擬太陽(yáng)內(nèi)部的核聚變反應(yīng)，并把產(chǎn)生的驚人能量穩(wěn)定地輸送到電站，一直是人類(lèi)未能實(shí)現(xiàn)的夢(mèng)想。但一些物理學(xué)家相信，這一天肯定會(huì)來(lái)臨。他們希望通過(guò)ITER計(jì)劃向持懷疑態(tài)度的政治家和科學(xué)家證明，核聚變是一種可行的能源來(lái)源。
正因?yàn)槿绱?，EAST實(shí)驗(yàn)似乎“根本承擔(dān)不起失敗”，這讓聚集在合肥的100名核聚變專家和工程技術(shù)人員深感壓力。
幾乎完美的能源
核聚變是能源危機(jī)的終結(jié)者嗎？一些物理學(xué)家對(duì)此堅(jiān)信不疑。
3月2日，一位負(fù)責(zé)給EAST降溫的工程師就認(rèn)為，聚變能是今后能夠大規(guī)模甚至一勞永逸地解決人類(lèi)能源問(wèn)題的惟一途徑。
“站在懸崖的邊緣，我們只能再造一個(gè)‘太陽(yáng)’，別無(wú)選擇?！彼f(shuō)。
100年前，愛(ài)因斯坦預(yù)見(jiàn)了在原子核中蘊(yùn)藏著巨大的能量。依據(jù)他提出的質(zhì)能方程E＝mc2，核聚變的原理看上去極其簡(jiǎn)單：兩個(gè)輕核在一定條件下聚合成一個(gè)較重核，但反應(yīng)后質(zhì)量有一定虧損，將釋放出巨大的能量。
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。
實(shí)際上，太陽(yáng)上的聚變反應(yīng)已經(jīng)持續(xù)了50億年。在宇宙中的其他恒星上，也幾乎都在燃燒著氫的同位素---氘和氚。
而氘在自然界中幾乎“取之不盡”?？茖W(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。從1升海水里提取的氘，在完全的聚變反應(yīng)中所釋放的能量，相當(dāng)于燃燒300升汽油。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(lèi)使用100億年。
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。
1952年美國(guó)試爆了第一顆氫彈，促使科學(xué)家考慮如何控制核聚變反應(yīng)在瞬間爆發(fā)的毀滅性能量，“人造太陽(yáng)”之夢(mèng)由此而始。
此后，石油、煤炭等化石能源日益枯竭，能源危機(jī)和溫室效應(yīng)步步逼近，獲取新型能源已經(jīng)變得十分迫切。雖然風(fēng)能、水能、太陽(yáng)能等可再生能源不斷地被開(kāi)發(fā)利用，但很難想象，它們能夠完全替代傳統(tǒng)能源。
超乎想象的難度
接下來(lái)的50年里，再造“太陽(yáng)”的難度超出了所有科學(xué)家的預(yù)計(jì)。
馬里蘭大學(xué)的物理學(xué)家William Dorland在接受《自然》雜志采訪時(shí)感嘆，核聚變之所以進(jìn)展緩慢，是因?yàn)椤拔覀儗?duì)等離子體的不穩(wěn)定性和紊亂性知之甚少”。
由于存在巨大的引力場(chǎng)，在太陽(yáng)核心1500萬(wàn)攝氏度、表面6000攝氏度的條件下均可輕松進(jìn)行聚變反應(yīng)。如果不需要控制能量輸出，在地面制造核聚變也不是棘手的難題：氫彈就是把原子彈當(dāng)“火柴”，來(lái)“點(diǎn)燃煤球”。
但要實(shí)現(xiàn)可控，過(guò)程則極為艱難。
科學(xué)家首先要把反應(yīng)燃料加熱到10萬(wàn)攝氏度，成為等離子體，即電子獲得一定的能量擺脫原子核的束縛，原子核能夠完全裸露出來(lái)，為碰撞做準(zhǔn)備。然后他們要把這些等離子體繼續(xù)加熱到上億度，使原子核擁有足夠的動(dòng)能克服庫(kù)侖斥力，聚合在一起。
為了避免在瞬間產(chǎn)生巨大的能量，等離子體的密度必須維持在合適的水平。
做到了這一步，還沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)可控。這些上億度的等離子體，還必須在足夠長(zhǎng)的時(shí)間里“老實(shí)地呆在容器里”，使聚變反應(yīng)穩(wěn)定持續(xù)地進(jìn)行，“不能以每秒超過(guò)1000公里的速度亂跑，也不能碰到容器的內(nèi)壁”。
一個(gè)難題是，用什么來(lái)裝1億度高溫的等離子體？
前蘇聯(lián)科學(xué)家塔姆和薩哈羅夫提出磁約束的概念，期望用“無(wú)形的河床來(lái)約束河水”---環(huán)行磁場(chǎng)。在磁場(chǎng)中，帶正電的原子核會(huì)沿著磁力線做螺旋式運(yùn)動(dòng)。此外，高功率的激光束也被用來(lái)充當(dāng)“魔瓶”。
盡管科學(xué)家突破了一個(gè)又一個(gè)障礙，但距離“太陽(yáng)”的光芒依然遙遠(yuǎn)。
中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所研究員邱勵(lì)儉說(shuō)，要讓“魔瓶”亮起來(lái)，必須同時(shí)解決超大電流、超強(qiáng)磁場(chǎng)、超高溫、超低溫等極限環(huán)境，牽涉真空、磁場(chǎng)、控制、等離子體、原子核等諸多領(lǐng)域的科學(xué)和技術(shù)難題。
而這“需要全世界最好的科學(xué)家和工程師一起合作，需要數(shù)國(guó)財(cái)力的共同支持”。
樂(lè)觀的估計(jì)
于是，ITER計(jì)劃應(yīng)運(yùn)而生。
1985年11月，美國(guó)和前蘇聯(lián)倡議在國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)框架下，由美國(guó)、前蘇聯(lián)、日本和歐洲共同體四方參與，建設(shè)國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆。第一個(gè)設(shè)計(jì)方案是于2010年建成一個(gè)實(shí)驗(yàn)堆，實(shí)現(xiàn)1500兆瓦功率輸出，造價(jià)約需100億美元。
這個(gè)雄心勃勃的國(guó)際大科學(xué)工程，自出生之日便命途多舛。
由于當(dāng)時(shí)的石油價(jià)格僅10多美元一桶，能源危機(jī)并未顯現(xiàn)，加上前蘇聯(lián)的解體和美國(guó)的退出，這個(gè)方案以及隨后“縮小版”的新方案一度擱淺。
ITER的推遲，為中國(guó)、韓國(guó)和印度等國(guó)家提供了一個(gè)“呼吸的空間”。我國(guó)在2002年表示有興趣參加ITER計(jì)劃，并在2003年成為ITER談判過(guò)程中的正式成員。
中國(guó)ITER專家委員會(huì)的一位委員說(shuō)，因?yàn)閷?duì)能源的迫切需求，中國(guó)才不惜血本加入ITER。根據(jù)合同，中國(guó)要承擔(dān)整個(gè)項(xiàng)目100億美元中10％，投入可謂史無(wú)前例。
隨后，美國(guó)宣布重返ITER，韓國(guó)和印度也先后加入。2005年6月28日，在一片爭(zhēng)吵聲中，ITER的建設(shè)地點(diǎn)最終落在法國(guó)南部的卡達(dá)拉舍。
政治角逐結(jié)束，科學(xué)家們走向前臺(tái)，他們期望這個(gè)地球上最昂貴的科學(xué)設(shè)備能帶來(lái)新能源的曙光?！爱吘?，我們有了場(chǎng)地，可以做實(shí)驗(yàn)了?！备鐐惐葋喆髮W(xué)物理學(xué)家Gerald Navratil說(shuō)。
但是，ITER只是一個(gè)實(shí)驗(yàn)堆，離發(fā)電依然十分遙遠(yuǎn)。如果獲得成功，它的下一步是建造商業(yè)示范堆，目的是驗(yàn)證商業(yè)可行性；最后還要建造商業(yè)運(yùn)行堆，以驗(yàn)證經(jīng)濟(jì)可行性。
“完成這些過(guò)程可能還需要50年?！敝袊?guó)科學(xué)院等離子體物理研究所所長(zhǎng)李建剛強(qiáng)調(diào)。他樂(lè)觀地估計(jì)，“人造太陽(yáng)”的出現(xiàn)，不會(huì)超過(guò)100年。
東方的曙光
在2005年7月21日出版的《自然》雜志上，來(lái)自英國(guó)原子能研究部門(mén)的物理學(xué)家David Ward打了一個(gè)賭。“我愿意和你賭100美元，別的核聚變裝置會(huì)比ITER更先開(kāi)始工作?！彼f(shuō)，“在歐洲，我們對(duì)聚變反應(yīng)的前景很樂(lè)觀。”
位于中國(guó)合肥的EAST就有可能是這樣一個(gè)裝置。
3月7日，EAST進(jìn)入降溫實(shí)驗(yàn)的第18天，邱勵(lì)儉在工程日志上記下了一個(gè)數(shù)字。他說(shuō)，在這個(gè)數(shù)字的低溫下，EAST的超導(dǎo)線圈進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，此次實(shí)驗(yàn)最重要的一個(gè)目標(biāo)已經(jīng)達(dá)到。
他們計(jì)劃在今年7月份前后進(jìn)行首次放電實(shí)驗(yàn)。
1954年，前蘇聯(lián)設(shè)計(jì)成功托卡馬克(意為環(huán)行真空磁線圈)裝置。此后，全世界建造了上百個(gè)托卡馬克裝置。其中，歐洲聯(lián)合環(huán)(JET)在1991年11月將氘氚混合燃料加熱到了3億攝氏度，獲得1分鐘的等離子體放電。
但是在強(qiáng)電流作用下，常規(guī)托卡馬克的磁線圈同樣會(huì)發(fā)熱。為了解決這個(gè)難題，科學(xué)家將超導(dǎo)技術(shù)成功應(yīng)用于磁線圈，建成超導(dǎo)托卡馬克。
邱勵(lì)儉介紹，目前世界上的超導(dǎo)托卡馬克，只有法國(guó)的Tore－Supra和中國(guó)的HT－7能正常運(yùn)行。
HT－7是前蘇聯(lián)贈(zèng)送給中國(guó)的一套實(shí)驗(yàn)裝置，經(jīng)過(guò)中國(guó)科學(xué)家的改進(jìn)，它在2005年12月14日獲得了1000萬(wàn)攝氏度、持續(xù)306秒的等離子體放電。這個(gè)結(jié)果，離法國(guó)的Tore－Supra只有一步之遙。
幾年前，中科院等粒子體物理研究的專家們開(kāi)始設(shè)計(jì)更先進(jìn)的EAST，這是一個(gè)高5米、內(nèi)直徑7.62米、重達(dá)400多噸的龐然大物。作為世界上第一個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克，它與ITER的核心裝置非常接近。專家們?yōu)榇嘶ㄙM(fèi)了6年時(shí)間，前后投入經(jīng)費(fèi)達(dá)3億元人民幣。
“一旦它運(yùn)行成功，能夠?yàn)槲磥?lái)降低ITER的風(fēng)險(xiǎn)提供十分寶貴的經(jīng)驗(yàn)?！崩罱▌傉f(shuō)。
