中國下一代「人造太陽」啟動工程設計 技術逼近極限

這是利用磁場對等離子進行約束的托卡馬克裝置

7月5日，我國的超導托卡馬克實驗裝置(EAST)在全球首次實現了上百秒的穩態高約束運行模式。

這是一個里程碑式的突破！將為我國下一代核聚變裝置的建設和國際核聚變清潔能源的開發利用奠定堅實的技術基礎。

EAST的前世今生

如果說起EAST的學名大型非圓截面全超導托卡馬克裝置，可能沒有多少人知道，但是如果提起「人造小太陽」，很多人耳熟能詳。

一個一百萬千瓦電站需要50萬噸煤，核電站需要30噸核燃料。同樣級別熱核聚變電站僅需要100公斤重水和鋰。相比於目前的核電站，熱核聚變是非常安全的，因為聚變的產物只是氦氣。資源是無限的，同時又是清潔的，所以長期以來被科學家認為是未來人類終極能源。

50年來，人類渴望在地球上實現太陽內部核聚變的模擬，期望能夠把驚人的能量穩定地輸送給電站。托卡馬克是人們未來得以實現「完美能源」這一暢想的化身。

「托卡馬克最早是蘇聯人的發明」，中科院等離子所副所長宋雲濤告訴科技日報記者，上世紀90年代初，我國用400萬人民幣的生活物資，向前蘇聯換來了當時價值1800萬盧布的托卡馬克裝置。

「我們花了一年半的時間把它全部拆掉，又花了兩年的時間把它裝起來，在這上面做了大量的實驗。其他國家都做到幾秒鐘，我們在這個裝置上面做到了1000萬攝氏度持續60秒放電」，宋雲濤告訴記者，熱核聚變會產生上億攝氏度高溫的等離子體，比太陽中心部的溫度還要高五六倍！它跟周邊的材料是強相互作用，需要控制得非常精確，精確到零點幾個毫米和零點幾個毫秒以下，「否則的話，只要一偏心，碰什麼燒什麼。」

怎麼才能實現「人造太陽」？科學家想了一個辦法，就是把一團上億攝氏度的等離子體火球，用磁場把它懸浮起來，跟周邊的任何容器材料不接觸，這個時候就可以對它加熱、控制，進而實現「人造太陽」。

因為托卡馬克產生磁場線圈是用常規的銅線做的，消耗了大量的能量，採用超導技術就比較容易得到聚變能量。在托卡馬克的基礎上，中科院等離子體所科研人員僅用10年時間，就自主設計和建造出世界上首個全超導托卡馬克裝置EAST。

「東方超環」EAST作為世界上第一個全超導非圓截面核聚變實驗裝置，集中了超高溫、超低溫、超大電流、超強磁場和超高真空等多項極限。

「從設計到建設，都是我們自己做的，整個項目的國產化率達到90%以上，自研率在70%以上，同時還取得了68項具有自主知識產權的技術和成果。」宋雲濤告訴科技日報記者，EAST主要用來探索實現聚變能源的工程、物理問題，為未來能源發展提供新思路。「現在，科研人員正在對EAST進行全方位的升級改造，為新一輪物理實驗做準備。」

CFETR概念圖 受訪者供圖

每一項技術都逼近了極限

1億攝氏度，1000秒。這兩個數字是橫亘在中國科學院等離子體研究所核物理科學家和全球科學界面前的兩座難以跨越的山峰。

要讓核聚變為人類所利用，就意味著要把氘、氚的等離子體瞬間加熱到1億攝氏度，並至少持續1000秒，才能形成持續反應。而這正是「東方超環」EAST的使命。上億攝氏度和零下269攝氏度，每一個極限都是科研領域的高、精、尖難題，開拓創新就意味著挑戰極限。

「傳導、對流和輻射造成能量的損失，為了最小的輻射損失，就得全部用真空。我們用五層真空，做成最大的『保溫杯』，實現了一億攝氏度和零下269攝氏度『冰火兩重天』的結合。」宋雲濤告訴記者，要獲得更長放電時間，幾乎所有的技術都要用到當今世界技術的極致。

事實上，與全球規模最大的能源合作項目――國際熱核聚變實驗堆計劃(ITER)相比，EAST只有其1/4大小。但麻雀雖小，五臟俱全，EAST的成功經驗已經支撐了ITER的建設。如研製出可通過90千安電流的高溫超導電流引線，使ITER製冷電耗每年減少2/3以上；證明ITER磁體電源設計方案存在的風險，並設計出新方案。

「目前，中國在ITER七方採購包進度中已成為第一位。在核聚變領域，中國人再也不是可有可無的『小角色』。」宋雲濤自豪地說。

在基礎科研創新的同時，EAST也帶動著我國核聚變相關高科技加工業的發展。

加工的難度在於材料。要控制上億攝氏度的等離子體，第一層屏蔽層重量就達8000噸。在等離子體所超導導體生產大廳中，宋雲濤指著堆疊了兩人多高的環形導體告訴記者：「這些導體每一根價值都在3000萬元人民幣以上。」這些外表看起來再普通不過的導管，卻內藏乾坤：每根線管里都是1000根頭髮絲一樣細的導線擰成的超導電纜。

這些超導線可謂EAST和ITER的「生命線」。因為地球上再耐熱的材料也會被核心區1億攝氏度的聚變反應燒化，而要讓反應產生的等離子體和裝置內壁保持一定的距離，就離不開這些超導線。「它們每秒可以通過6萬安培的電流，產生10萬高斯的磁場，形成一個強大的『電磁籠』，把等離子體懸浮起來。」宋雲濤解釋說。

然而，在EAST建立之前，這項技術尚未誕生。「之前我國的超導線總共加起來才有26公斤，而現在除了供給ITER每年所需的150噸預定以外，產量還綽綽有餘。」宋雲濤說。

ITER很多部件都代表著高附加值，是國際競爭的熱點。「這個線圈重396噸，比EAST所有的線圈加起來還大。我們的價格比日本的還高100萬元人民幣， 我們是以技術和質量取勝。中國人『賣白菜』的歷史一定會儘快地結束！」宋雲濤說。

未來幾年或啟動聚變工程試驗堆

熱核聚變在過去50年中發展非常之快。世界上第一個真正意義上的「人造太陽」，是國際熱核聚變實驗堆ITER，要在20年左右能夠在大規模的、幾十萬千瓦的基礎上運行較長的時間，就需要驗證聚變的工程可行性，而東方超環正是為此進行驗證實驗其可行性。

讓5000萬攝氏度等離子體持續100.12秒，這是目前EAST取得的成績，也是當前國際核聚變反應最好的成績。EAST差不多16―17個月左右的時間，綜合參數能夠翻一倍。「EAST必將對ITER及下一代聚變裝置作出更多世界級的、獨一無二的貢獻。」

核聚變到底什麼時候才能實現？未來中國的核聚變到底怎麼做？面對上述問題，宋雲濤表示，我國現在正在做的EAST實驗裝置，加入了ITER國際合作，有望再過幾年後建造中國自己的工程堆，才能夠演示發電。

我國下一代核聚變裝置――中國聚變工程試驗堆(CFETR)已於2011年開始進行設計研究。在過去的幾年裡，項目集中了我國磁約束聚變研究的骨幹力量，形成目標明確的國家隊，在吸收消化ITER和國際磁約束聚變堆設計和技術的基礎上，大膽創新，完成的CFETR設計方案可與ITER相銜接和補充。同時，該項目推動了廣泛國際合作，世界聚變研究發達國家美國、德國、法國、義大利等已經全面參與CFETR的設計；俄羅斯同行也表示未來更加深入參與CFETR計劃。

目前，CFETR裝置已經完成設計研究並開始了工程化設計，有望在未來幾年啟動。宋雲濤滿懷信心地說，「有了它以後，有望在50年到60年之後實現商用化」。本報記者吳長鋒

來源：科技日報

責任編輯：侯哲

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