核融合帶來無限清潔能源 中外科學家為「人造太陽」做百年努力

2016-03-20 15:58
全超導托卡馬克核聚變實驗裝置(新華社)
全超導托卡馬克核聚變實驗裝置(新華社)

從渴望飛翔到造出飛機,人類走過了至少數千年;從愛因斯坦的預言到引力波被真切探測到,人類走過了整整百年。

「當我們在討論『十三五』規劃綱要草案的時候,潛心研究的中外科學家們正在為一個偉大夢想——『人造太陽』執著耕耘。據相關資料,這場『追夢旅程』從上世紀50年代開始已經進行了半個多世紀,真正投入商用、變成每家每戶可以用的電,可能至少還需要幾十年。」全國人大代表、中國工程物理研究院研究員許建南14日接受新華社記者專訪時說。

在地球上造個太陽?當然不是!

「『人造太陽』指通過可控熱核融合的方式給人類帶來幾乎無限的清潔能源。」許建南說。太陽的光和熱,來源於氫的兩個同胞兄弟——同位素氘和氚,在融合成一個氦原子的過程中釋放出的能量。「人造太陽」就是「模仿」這一過程。

目前,人類核電站有序利用的核能都是核裂變過程——由較重的原子核裂變成較輕的原子核,從中獲得釋放的能量。單位質量釋放的能量輕核融合比重核裂變要大數倍。

「有專家考證:如果不是最早,起碼較早提出『人造太陽』解決人類能源問題的是一位蘇聯年輕少尉。這個高中學歷的『大男孩』在1950年提出這個『空想』時,蘇聯科學家們沒有笑話他,而是科學審慎分析了它在理論和實踐中的可行性。歷史證明,很多改變世界的偉大科學發現科技進步,源自勇敢的『空想』、睿智的呵護和執著的追求。」許建南說。

科學家們做了哪些科學探索?

融合能源,是人類夢寐以求的安全經濟高效持久能源。

全球科學家研究實現可控熱核融合的路徑主要有兩種:磁約束融合和慣性約束融合。前者又稱「托卡馬克」,通過強磁場較長時間約束高溫稀薄等離子體使之發生融合反應。例如,目前全球規模最大、影響最深遠的國際科研合作計劃之一的「國際熱核融合實驗堆(ITER)計畫」。後者則利用多種高能量驅動方式形成高溫高壓環境,使氘氚靶丸實現熱核融合點火和燃燒,從而釋放出巨大的能量。

氘和氚是取之不盡的能源。海洋中大概蘊藏了40萬億噸氘,理論上如果全部用於融合反應,釋放的能量足夠人類使用幾百億年。

「它難以比擬的優勢是:安全、清潔、高效和資源充足。」許建南說。

中國科學家參與、貢獻幾何?

磁約束融合和慣性約束融合兩種技術路徑,中國科學家都有深度參與和不菲貢獻。美、法等國20世紀80年代發起ITER計畫,中國後來成為參與國之一。中科院合肥物質科學研究院和位元於成都的西南物理研究院是主要承擔單位。

中科院合肥物質科學研究院等離子體所承擔的大科學工程「人造太陽」實驗裝置EAST在今年1月底的實驗中,成功實現了電子溫度超過5000萬度、持續時間達102秒的超高溫長脈衝等離子體放電。這是國際托卡馬克實驗裝置在電子溫度達到5000萬度時,持續時間最長的等離子體放電,是重要的階段性研究進展。

「祝賀中科院研究人員取得的突破。中物院也是『人造太陽』的追夢勁旅。慣性約束融合研究由中國著名科學家、曾擔任我院副院長的王淦昌先生在上世紀60年代,與國外科學家同期獨立提出。中國氫彈元勳、國家最高科技獎獲得者于敏也是慣性約束融合技術路線的宣導者。」許建南說。

過去幾十年裏,中物院和上海光機所等單位不斷衝擊世界先進,逐步建立了獨立自主的慣性約束融合研究體系,建成神光I、II和III鐳射驅動裝置,聚龍一號電磁驅動大型科學實驗裝置。許建南說,其中,聚龍一號輸出電流達到800至1000萬安培,電流脈衝上升時間小於千萬分之一秒,瞬間功率超過20萬億瓦,相當於全球平均發電功率的2倍。

「人造太陽」距離商用還有多遠?

2015年在北京舉行的首屆國防科技工業軍民融合發展成果展上,聚龍一號作為「未來理想能源——『瓶中的太陽』」首度亮相,讓公眾瞭解到軍事應用為牽引研製的大型科學實驗裝置如何在民用領域發揮作用。 (相關報導: 打造新時代潔淨能源 德國核融合反應爐試運轉 更多文章

中外科學家在融合裝置科學實驗和工程技術上取得了重要階段性成果。有專家預計,融合能商業化有可能在約30年後實現。

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