圖為中國環(huán)流器二號A中央控制室 核西物院供圖
《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所掌握。近日，記者跟隨國務(wù)院國資委新聞中心組織的“科幻作家走進(jìn)新國企”活動，來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 （以下簡稱“核西物院”），近距離接觸現(xiàn)實(shí)版“人造太陽”的聚變力量，親身感受受控核聚變的前世今生。
“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?！焙宋魑镌涸洪L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為聚變反應(yīng)堆或聚變堆。
劉永介紹，太陽猶如一個(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內(nèi)部核反應(yīng)的機(jī)理相仿，所以這種裝置被形象地稱為“人造太陽”。
當(dāng)然，距離完全掌握受控核聚變技術(shù)還存在一段征程，但是人類從未停止對此項(xiàng)技術(shù)的探索，位于核西物院內(nèi)的中國環(huán)流器二號A（HL—2A）就是最好的證明。
據(jù)介紹，HL—2A是我國第一個(gè)帶偏濾器的大型托卡馬克聚變研究裝置，為我國受控核聚變研究提供了重要的實(shí)驗(yàn)平臺。來到容納HL—2A的“車間”，巨大且復(fù)雜成為記者對該裝置的第一印象。仔細(xì)觀察，該裝置占地面積可達(dá)上百平方米，整體外形類似一個(gè)大型的輪胎，周圍鋪設(shè)的管路、線圈等各種輔助設(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)分布于不同的廠房內(nèi)。
“中國環(huán)流器二號A的輔助系統(tǒng)包括5兆瓦電子回旋器加熱系統(tǒng)、3兆瓦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余臺套診斷系統(tǒng)等?！?span style="-webkit-tap-highlight-color: transparent; box-sizing: border-box;">劉永補(bǔ)充。
而基于HL—2A，我國在核聚變領(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裝置等離子體溫度達(dá)到5500萬攝氏度，向聚變所需的億攝氏度高溫邁進(jìn)了一大步；2009年，HL-2A裝置在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了偏濾器位形下高約束模式運(yùn)行，標(biāo)志著我國已躋身核聚變能源開發(fā)國際先進(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)目可觀的粒子具有足夠動能克服原子核間斥力而實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)，產(chǎn)生可觀的聚變能。對此，劉永也透露，核西物院將于今年底建成中國環(huán)流器二號M裝置（HL—2M），屆時(shí)裝置內(nèi)等離子體溫度將超過1億攝氏度，具備開展堆芯等離子體研究的條件。
那么受控核聚變作為未來能源有何優(yōu)勢？針對這一問題，劉永向記者表示：“核聚變能是人類最理想的能源，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?！绷硗?，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。
我國在上世紀(jì)50年代就開始了對核聚變的研究。隨后在1965年，核西物院在四川建立，成為了我國最早的聚變研究專業(yè)院所，并先后建立了角向箍縮、仿星器、磁鏡、反場箍縮等不同類型的裝置。
上世紀(jì)70年代末到80年代初，我國開始對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環(huán)流器一號（HL—1）成為我國自主設(shè)計(jì)建造的第一個(gè)聚變大科學(xué)工程裝置，榮獲國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)，標(biāo)志著我國受控核聚變研究進(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，為了實(shí)現(xiàn)發(fā)展戰(zhàn)略中的第三步，我國科學(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?！昂司圩兗夹g(shù)還面臨諸多問題等待我們?nèi)ソ鉀Q?！痹谡劶昂司圩冄芯磕壳暗钠款i時(shí)，劉永坦言。
“1億攝氏度以上的高溫、長時(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題，都需要我們?nèi)ヌ剿餮芯俊！眲⒂辣硎尽?/p>
面對受控核聚變這一未來能源，共同研究、共同探索成為全球各國的選擇。在此背景下，“國際熱核聚變實(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、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國七方正式簽署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’。它的體積接近天壇的祈年殿，高30米，直徑28米，重達(dá)1萬噸。”劉永介紹。
而在ITER計(jì)劃中，中國也發(fā)揮了重要的作用。
“我國承擔(dān)了ITER裝置9%的采購包制造任務(wù)，如包層第一壁就由我國承擔(dān)制造，目前我國已成為除歐盟外承擔(dān)任務(wù)最多的國家。”劉永介紹，核西物院作為我國參與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ITER采購包任務(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)劃采購包制造任務(wù)的同時(shí)，我國核聚變領(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，提升了我國聚變堆關(guān)鍵材料的研發(fā)能力，為中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆的設(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攝氏度)的材料和部件測試平臺，達(dá)到國際先進(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，采用聚變技術(shù)的試驗(yàn)堆、原型電站也均有望走向臺前，聚變的發(fā)展脈絡(luò)也已逐漸明晰，人類掌握受控核聚變或不再遙遠(yuǎn)。（記者 白宇）
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