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面向世界科技前沿,面向國家重大需求,面向國民經濟主戰場,率先實現科學技術跨越發展,率先建成國家創新人才高地,率先建成國家高水平科技智庫,率先建設國際一流科研機構。

——中國科學院辦院方針

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“人造太陽”何時“亮”起來

2021-12-08 學習時報
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語音播報

  李建剛,中國工程院院士,中國“人造太陽”項目學術帶頭人之一,參與并負責我國大科學裝置——核聚變實驗裝置的技術發展。他倡議和推進我國參加國際熱核聚變實驗堆計劃,并帶領團隊深入開展相關科學技術研發,將我國“東方超環”發展成為國際高性能長脈沖等離子體研究領域最重要的實驗平臺。李建剛曾兩次獲得國家科學技術進步一等獎。
  2021年5月28日凌晨,在安徽合肥誕生了一項新的世界紀錄:全球首個全超導托卡馬克“東方超環EAST”,實現了可重復的1.2億攝氏度101秒等離子體運行和1.6億攝氏度20秒等離子體運行,標志著我國在運用核聚變原理探索讓人類擁有永續理想清潔能源道路上,又向前推進了一步。

  能源是發展的動力,是人類共同面臨的挑戰。當今世界可利用能源稀缺,工業社會對化石能源的爭奪無比激烈。許多國家的科學家行動起來,希望創造可靠、安全、廉價的永續能源,“人造太陽”因此成為科學攻堅的大課題,以期用核聚變原理,憑借地球無限無盡的原料進行發電,創造出終極能源。

  從愛因斯坦到“人造太陽”

  科學家把基礎研究分為探索自然規律的基礎研究和有應用目標導向的基礎研究兩大類,后者是由應用任務牽引,主要關注的是國家重大戰略需求和經濟社會發展面臨的重大挑戰。能源被認為是新一輪科技革命的重要方面,而我國要在2060年前實現碳中和的目標,更增加了創造和使用清潔能源的緊迫性?!叭嗽焯枴贝罂茖W裝置的設立,就是從國家急迫需要和長遠需求出發,試圖解決能源緊缺的重大問題。

  人造太陽用專業術語叫磁約束核聚變。愛因斯坦的一個公式是能量等于MC2,就是把任何一個很小的質量,乘上光速的平方以后,可以得到巨大的能量,這就是核能運用的原理?,F在世界上一共有400多個核電站,都是用這種原理,把一個大的原子核,裂開以后形成能源。裂變就是原子彈的原理,聚變就是氫彈的原理,氫彈的威力要比原子彈更加巨大。用氫的同位素,一個氘,一個氚,把它們兩個加到上億攝氏度以后,就會發生聚合,產生中子和氦。人造太陽就是運用氫彈的原理。

  產生聚變非常困難,一定要把它點到3.5億攝氏度,才能滿足聚變發生的條件。采用的辦法之一是磁懸浮,可以把氣體加熱到上億攝氏度,用磁場把它懸浮起來,這個時候不接觸到任何材料,就能夠實現核聚變。這個方法叫托卡馬克。

  “人造太陽”安全可靠,因為聚變從先天性來講,具備固有安全性。它永遠是安全的,也不會爆炸,因為它本身的功率密度非常之低,隨時可以停下來,不會對環境、對公眾形成危害,我們的實驗室就在合肥市中心。

  我國“人造太陽”的逆襲

  當今世界,可控核聚變研究如火如荼之時,中國“人造太陽”的建設沒有掉隊。1965年,在四川樂山郊區,建起了當時中國最大的核聚變研究基地——西南物理研究所,一批批科學工作者篳路藍縷、開荒拓土,讓中國磁約束聚變從無到有、從弱到強。

  做能源大約分三個階段:第一個叫科學可行性,就是科學上這個原理是對的;第二個在工程上是可行的;第三個就是經濟上是便宜的。蘇聯科學家阿齊莫維奇發明了托卡馬克,全世界都開始遵循這一研究模式。在過去的50年中間,全世界大約建了一百個托卡馬克,每一個托卡馬克都作出了巨大的貢獻。托卡馬克是蘇聯人發明的,要想學,最好的一個辦法是跟蘇聯人去學。在上世紀80年代末,蘇聯的維利霍夫院士有一個托卡馬克T7,愿意贈送給其他國家,然后他們自己做更好的。當時霍裕平院士聽說這件事,覺得非常之好,因為這是能夠快速地掌握這個技術的一個最好辦法。所以我們就要了,當然也不是白要,是用其他東西去換。站在別人的肩膀上面,我們做出了很多的改進。當年的蘇聯人能夠做到大約兩秒鐘、三秒鐘1000萬度,我們后來可以做到六十秒鐘1000萬度,這個成果也獲得了當年的中國十大科技進展之一。

  在上世紀90年代末,我們向國家提出來,要做這一個“東方超環”?!皷|方超環”就是在世界上第一次把零下269攝氏度和上億攝氏度的東西放在一起,看看能持續多長時間。當時提出的目標就是一定是一個大裝置,這個裝置可以承受1億攝氏度,不再是三五秒鐘,一定持續時間足夠長,長到1000秒。在之前全世界都沒做過,這還是比較難的。這個實驗的材料,要求得比航天飛機還要更苛刻。我們的工業界在上世紀90年代也沒有大規模地生產超導,全世界也沒做過,所以也沒地方去學。但是我們義無反顧地就是要做“人造太陽”,這就必須先做全超導,只有做了全超導,才有可能從科學可行性邁向工程可行性。我們從2000年9月份正式開工,到2006年9月26日第一次放電成功。大約兩年前我們就做到了幾個世界紀錄:其中一個是在100秒的時間之內,我們可以做到5000萬攝氏度到6000萬攝氏度。5000萬攝氏度、6000萬攝氏度就是太陽心部溫度的兩倍,太陽心部溫度是2500萬攝氏度左右。這個參數估計國外的任何一個國家在幾年之內很難重復,但是這也不是我們最終的目標,我們最終的目標就是要發電?,F在還做不到,我們今年就想能夠嘗試更高一點。相信在未來,很快就能看到1億攝氏度1000秒在這個裝置上實現。

  “人造太陽”是世界極度關注的大科學問題。早在1985年,美國和蘇聯就提出了“人造太陽”——國際熱核聚變實驗堆計劃,簡稱ITER計劃。當時,我國被擠在計劃門外,直到2006年才得以正式簽約加入。ITER計劃是探索利用磁約束方式來實現核聚變能源的計劃,是當今世界規模最大、影響最深遠的國際大科學工程之一。計劃從2007年開始,歷時35年,總投資約180億歐元,計劃2050年前后完成聚變能原型電站的建設和運行,開始商業化應用。我國正式簽約加入ITER計劃后,作為平等成員方之一承擔了ITER計劃建設階段9.09%和運行、退役階段10%的經費,享有ITER計劃100%的技術成果使用權。我們在這里邊是做得相當不錯的,最核心的東西我們基本上都能拿到,大約就是要用9%的貢獻拿到100%的知識產權。在近10年,ITER計劃也是向國際招標的,最復雜的一個線圈400多噸,這個歐洲人做不出來,當年跟我們競爭的是俄羅斯人和日本人,最后經過3個月的競爭,我們中國勝出。ITER總干事說,我們是“the most valuable partner”。就是說,中國在這七方中間是最可靠的合作伙伴。我們的現金貢獻從來都是按時給的,另外,就是我們都是100%按照日程完成任務。其他國家不行的時候,我們站出來幫他們做,不光是歐盟,就是日本人、俄羅斯人他們做不出來東西,到中國來,我們也幫忙很快完成。因為我們是認真的,中國政府這一點,其他國家都是佩服的。我們的目的就是希望最終在自己的國土上建成能發電的聚變電站。

  “人造太陽”的美好未來

  2020年7月28日,ITER計劃重大工程安裝啟動儀式在法國總部舉行,標志著由此前成員國制造零部件的階段,正式轉換到裝置組裝階段。30多個國家精誠合作,眾多世界頂尖科學家和工程師參加,參與國家的人數總和超過全球人口的一半。這一天,國家主席習近平專門發賀信指出,國際科技合作對于應對人類面臨的全球性挑戰具有重要意義。國際熱核聚變實驗堆計劃承載著人類和平利用核聚變能的美好愿望,計劃實施以來,中方始終恪守國際承諾,中國企業和科研人員勇挑重擔,與國際同行齊心協力,為計劃的順利推進貢獻了中國智慧和中國力量。

  耗資耗時耗力的“人造太陽”的目標是發電。我們在核聚變堆設計、關鍵部件的研發和制造等方面,已進入世界先進行列。聚變一個最重要目標就是產生能源,就是發電。發電一個最重要目標就是經濟,從經濟上來講,聚變電站做大了是經濟的。我們建第一個堆,大約需要六七百億元,未來商用堆差不多需要200億元左右。這樣一個電站,5到8年就能收回成本。如果隨著材料的不斷發展,能夠做得更便宜。這就是未來的聚變——可以沒有二氧化碳的產生,也不用去燒煤,更不用擔心出事故。前景是美好的,但是道路是曲折的,初步判斷還要再等上一二十年才有可能建成。希望在2049年,就是新中國成立100年的時候,我們能用上聚變的電站,所有的關鍵部件必須國產化,這樣就不再受制于人。

  人類一旦解決了能源問題,這個世界將會更加美好。長期以來,我們中國聚變人都有一個夢想,就是未來如果有一盞燈能被聚變能點亮的話,這盞燈一定要、也必須在中國。

打印 責任編輯:侯茜
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