探訪“人造太陽(yáng)”項(xiàng)目：有望2050年點(diǎn)亮你家燈泡

張想玲+雷遠(yuǎn)東

想象著有一天，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？

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)恚@個(gè)工程還有一個(gè)更加形象的名字：“人造太陽(yáng)”。

視線轉(zhuǎn)移到成都，在雙流區(qū)黃荊路5號(hào)—核工業(yè)西南物理研究院，一個(gè)多達(dá)500人的團(tuán)隊(duì)正在為這個(gè)項(xiàng)目夜以繼日地忙碌著。

2016年10月，由“四川團(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。這是“四川智慧”對(duì)這個(gè)被譽(yù)為人類歷史上偉大事業(yè)之一的項(xiàng)目做出的重大貢獻(xiàn)。

能量之大

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。

如果把實(shí)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。給微波爐加溫的方式有很多種，黃梅的方式是其中一種，叫“電子回旋波加熱”。“簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是通過(guò)微波注入等離子體，給微波爐添把火，讓內(nèi)部溫度不斷升高，從而讓食物更快熟透。”

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。

40萬(wàn)億噸氘將解決人類能源問(wèn)題

上百人的團(tuán)隊(duì)，圍坐在操作大廳里，對(duì)著面前兩塊超大屏幕，觀測(cè)著相關(guān)參數(shù)的變化，眼睛都不敢亂眨，生怕漏過(guò)任何蛛絲馬跡。

這種高度緊張的狀態(tài)，工作十年，鐘武律每年都要經(jīng)歷兩輪，通常是3月至5月的春季實(shí)驗(yàn)、11月到接近農(nóng)歷新年的冬季實(shí)驗(yàn)。每一次實(shí)驗(yàn)，內(nèi)部人員稱之為“一炮”。每次實(shí)驗(yàn)由于耗電量非常大，放炮時(shí)間通常為1至2秒。

作為等離子體診斷的“專職醫(yī)生”，鐘武律通過(guò)每一次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)等離子在約束過(guò)程的變化。兩次放炮間隔很短，只有8分鐘。因此，他們必須在8分鐘內(nèi)做出判斷并且調(diào)整相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。“離子體的變化是非常快的，達(dá)到微秒或者毫秒級(jí)別。”因此，在行業(yè)里有句話，做等離子的分析和物理實(shí)驗(yàn)，沒(méi)干夠5年，根本摸不著邊。類似鐘武律這樣的工作，還有更龐雜的分工。

如此繁復(fù)、浩瀚，為什么要啟動(dòng)“人造太陽(yáng)”計(jì)劃？在業(yè)內(nèi)人士看來(lái)，核能包含兩種方式：核裂變和核聚變。人造太陽(yáng)項(xiàng)目就是“受控?zé)岷司圩兡茉础保捎谄涔逃械陌踩浴o(wú)污染的優(yōu)越性，以及燃料資源豐富等特點(diǎn)，被認(rèn)為是人類最理想的潔凈能源。

核工業(yè)西南物理研究院聚變科學(xué)所副所長(zhǎng)許敏進(jìn)一步解釋說(shuō)，最容易實(shí)現(xiàn)的核聚變能源來(lái)自氫的同位素，氘和氚的劇烈反應(yīng)。一公升海水里提取出的氘，完全聚變反應(yīng)可釋放相當(dāng)于燃燒300升汽油的能量。科學(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。另外，它的環(huán)境可接受性比較好，因?yàn)榫圩兎磻?yīng)，產(chǎn)物是氦，其本身不具有放射性。在科學(xué)家們看來(lái)，核聚變一直以來(lái)被人們視為解決未來(lái)能源問(wèn)題的希望。

表情之變

冷靜、堅(jiān)毅，不茍言笑。“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”。任何的外界喧囂，很難在他臉上驚起太大的波瀾。只有當(dāng)提到“第一壁”時(shí)，他的表情才會(huì)慢慢舒展，流露出無(wú)法掩飾的喜悅。2016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”。

尋覓：花十年找材料，將美國(guó)壟斷技術(shù)造價(jià)降低90%

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，要么被高溫瞬間融化，要么會(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。在整個(gè)國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃中，多個(gè)國(guó)家都在研制這樣的高溫核心材料。中國(guó)科學(xué)家承擔(dān)研制的這種材料，處于反應(yīng)堆最核心位置，直接面對(duì)高溫聚變物質(zhì)，因而被稱為反應(yīng)堆的“第一壁”。2006年，中國(guó)正式加入ITER，接受了研制熱核聚變反應(yīng)堆核心部件的工作。十多年來(lái)，過(guò)五關(guān)斬六將，王平懷團(tuán)隊(duì)開(kāi)啟了攻克“第一壁”的漫長(zhǎng)科研路。王平懷說(shuō)，尋找“第一壁”，第一關(guān)就是材料。面對(duì)上億攝氏度高溫的炙烤，任何普通材料瞬間就會(huì)灰飛煙滅。當(dāng)時(shí)，業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為一種特殊的金屬材料耐熱性高，是最佳選擇。彼時(shí)，世界上擁有這種材料的高純度提取和制造工藝技術(shù)的國(guó)家中，美國(guó)處于技術(shù)壟斷地位。這種高純度金屬材料，一公斤對(duì)外銷售超上百萬(wàn)元人民幣。由于材料的稀缺性，美國(guó)只是少量出售。“大部分時(shí)候，是有錢都買不到的。”王平懷說(shuō)。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(kāi)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，美國(guó)將壟斷價(jià)格降低了90%。endprint

失落：模塊決定命運(yùn)，一年半時(shí)間失敗十幾次

單程將近30個(gè)小時(shí)的火車，一路從成都平原越過(guò)秦嶺之巔，再到塞外的黃沙和肅殺，最后抵達(dá)終點(diǎn)站寧夏的一個(gè)小城。從2014年到2015年10月，一年多時(shí)間里，這條跨越1300公里的鐵路線，成了王平懷所在項(xiàng)目組32個(gè)成員共同的夢(mèng)魘，項(xiàng)目遇到了真正的低迷期。解決了“第一壁”材料問(wèn)題后，王平懷團(tuán)隊(duì)接下來(lái)要破解的是結(jié)構(gòu)問(wèn)題。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。“可以說(shuō)，這也是我們過(guò)去五年最痛苦的歷程。”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、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，易脆，易斷裂。尤其是2013年底，ITER更改了相關(guān)設(shè)計(jì)，對(duì)于“第一壁”的制作要求更加苛刻。

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。更改設(shè)計(jì)之后，他們制作的模塊成功率不到20%。

王平懷至今還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。30小時(shí)的旅途，對(duì)于送模塊的人來(lái)說(shuō)，疲憊，但是帶著希望。

從成都到塞外，風(fēng)景一路變化不停，但任憑風(fēng)光無(wú)限，對(duì)于項(xiàng)目組成員來(lái)說(shuō)，這一切都毫無(wú)意義。揣著包里的那幾公斤模塊，更像是懷揣著整個(gè)項(xiàng)目組的心血和“第一壁”的前途與命運(yùn)。“那段時(shí)間，組里的氣氛實(shí)在太壓抑了。”王平懷說(shuō)。

歡悅：他們終于成功，提交了十多項(xiàng)國(guó)家專利申請(qǐng)

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。

已經(jīng)歷了無(wú)數(shù)次失敗，該排查和梳理的問(wèn)題點(diǎn)，都已經(jīng)排查并且進(jìn)行了修正，這一次，應(yīng)該不會(huì)再出問(wèn)題了吧。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，大家圍著兩個(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)。

希望之源

核聚變的優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的，如何真正實(shí)現(xiàn)受控的核聚變，以至于未來(lái)的并網(wǎng)發(fā)電，還有漫長(zhǎng)的路要走。

“人造太陽(yáng)”并網(wǎng)發(fā)電，有望2050年點(diǎn)亮你家的燈泡

到2017年為止，國(guó)家“青年千人計(jì)劃”學(xué)者、核工業(yè)西南物理研究院聚變科學(xué)所副所長(zhǎng)許敏，已經(jīng)在環(huán)流器二號(hào)A裝置上耕耘了五年。

過(guò)去五年里，他們?nèi)〉昧撕芏喑删汀Ｆ┤纾瑢?shí)驗(yàn)裝置的加熱功率至少翻了一倍，加熱手段也更多了。裝置運(yùn)行時(shí)，里面燃料的溫度是2000萬(wàn)～3000萬(wàn)攝氏度，現(xiàn)在十幾毫秒甚至幾毫秒就可以達(dá)到。此外，持續(xù)加熱以及尋找諸如構(gòu)成“第一壁”這樣的高溫耐熱材料，是未來(lái)的重要命題。

目前，38歲的許敏還在積極培養(yǎng)后備軍，成立了一個(gè)由全國(guó)各個(gè)高校聚變領(lǐng)域的青年學(xué)子組成的課題組。他們剛剛初步建成了目前中國(guó)最大的直線等離子體裝置，目的在于尋找適合建造核聚變堆的新型耐高溫材料。“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。”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。許敏說(shuō)，一個(gè)最好的辦法，就是在核聚變反應(yīng)中產(chǎn)生氚，并且使得氚能夠自持。這也就意味著，燃燒掉多少氚，要產(chǎn)生出等量的氚來(lái)。

雖然研究過(guò)程耗資高昂，核聚變實(shí)驗(yàn)可能還要幾代人的心血，不過(guò)，許敏對(duì)核聚變的發(fā)展還是持非常樂(lè)觀的態(tài)度。首先，在研究“人造太陽(yáng)”的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的前沿尖端技術(shù)。很多都有廣泛的軍事和商業(yè)應(yīng)用前景。以實(shí)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。”許敏說(shuō)，期待燈泡被核聚變點(diǎn)亮。

（本文轉(zhuǎn)自《華西都市報(bào)》）endprint