核聚變能由于資源豐富和無(wú)污染，被科學(xué)界認(rèn)為是最有希望徹底解決能源和環(huán)境問(wèn)題的根本出路之一。中科院專家指出，我國(guó)自21世紀(jì)初正式參加國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)堆ITER計(jì)劃后，經(jīng)過(guò)十多年的努力，核聚變科研能力、重要部件制造工藝能力、工程建造能力、大科學(xué)工程管理能力等均已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，具備建設(shè)自主產(chǎn)權(quán)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆的能力。
在開(kāi)發(fā)核聚變能被人們形象地稱為“人造太陽(yáng)”的路上，中國(guó)已從“追趕者”、“并跑者”，成長(zhǎng)為具備強(qiáng)大國(guó)際輸出能力的“領(lǐng)跑者”?？茖W(xué)家們數(shù)十年艱辛“逐日”，就是盼望核聚變能點(diǎn)亮的第一盞燈在中國(guó)。
核聚變能：清潔無(wú)限的能源希望
煤炭、天然氣、石油等化石能源最終將會(huì)枯竭，人類未來(lái)的命運(yùn)聚焦在尋找更加持久的清潔能源上，核能成為人們寄予厚望的未來(lái)能源之一。核能分為核裂變能與核聚變能，前者已經(jīng)被人類利用發(fā)電，但核裂變堆多采用鈾、銫等放射性物質(zhì)作為燃料，這些物質(zhì)蘊(yùn)藏有限，還會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的輻射，放射性核廢料的處理也是難題。核聚變能與太陽(yáng)產(chǎn)生能量的方式相同，都是由原子核聚變放出巨大能量。在地球上，人類也早已實(shí)現(xiàn)了核聚變——?dú)鋸棻ā５珰鋸検且环N武器，爆炸時(shí)會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)釋放出極大的能量，從而在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生毀滅性的后果。
如果氫彈的爆炸過(guò)程被人為地大大減緩，如果爆炸產(chǎn)生的能量被緩慢而穩(wěn)定地輸出，轉(zhuǎn)化為電能，那氫彈就不再是屠戮生靈的武器，而成了澤被百姓的一個(gè)能源庫(kù)——人造太陽(yáng)。
因此，人造太陽(yáng)又被稱為“可控?zé)岷司圩儭??？茖W(xué)家們介紹，它的特點(diǎn)是產(chǎn)生過(guò)程中輻射可忽略不計(jì)，從儲(chǔ)量豐富的海水中提煉氫的同位素氘、氚作為燃料，不會(huì)帶來(lái)污染物。
據(jù)預(yù)測(cè)，每一升海水中所蘊(yùn)含的氘如果提取出來(lái)，發(fā)生完全的聚變反應(yīng)，能釋放相當(dāng)于300升汽油燃燒時(shí)釋放的能量。以此推算，根據(jù)目前世界能源消耗水平和海水存量，核聚變能可供人類使用數(shù)億年。
與國(guó)際空間站研究、歐洲加速器、人類基因組測(cè)序研究等項(xiàng)目一樣，該領(lǐng)域的研究也是一個(gè)國(guó)際科技合作項(xiàng)目。美、法等國(guó)在20世紀(jì)80年代中期發(fā)起了國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER）計(jì)劃，旨在建立世界上第一個(gè)受控?zé)岷司圩儗?shí)驗(yàn)反應(yīng)堆，為人類輸送巨大的清潔能量。中國(guó)于2003年加入ITER計(jì)劃，成為七方成員之一，承接整個(gè)計(jì)劃9％左右的采購(gòu)包任務(wù)，并享受全部知識(shí)產(chǎn)權(quán)。位于安徽合肥的中科院等離子體所是這個(gè)國(guó)際科技合作計(jì)劃的國(guó)內(nèi)主要承擔(dān)單位。
我國(guó)已具研發(fā)和建設(shè)自主核聚變工程實(shí)驗(yàn)堆能力
“當(dāng)中國(guó)宣稱要用2000萬(wàn)美元建造全超導(dǎo)核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，國(guó)際學(xué)界沒(méi)有人相信。”中國(guó)工程院院士李建剛想起十多年前依然記憶猶新。
1998年中國(guó)科學(xué)院等離子體研究所成立EAST團(tuán)隊(duì)，目標(biāo)是建設(shè)世界首個(gè)全超導(dǎo)核聚變實(shí)驗(yàn)裝置EAST，它的中文名字“東方超環(huán)”寄予著中國(guó)科學(xué)界的巨大期望。為此，中科院等離子體所成立了12個(gè)研究室，兩個(gè)技術(shù)支撐中心，攻克裝置建設(shè)過(guò)程中的一個(gè)個(gè)攔路虎。
“是一種精神、一種事業(yè)的快樂(lè)，支撐起了這些人?！崩罱▌傉f(shuō)：“這個(gè)項(xiàng)目如果沒(méi)做好，我們覺(jué)得愧對(duì)整個(gè)國(guó)家，愧對(duì)整個(gè)社會(huì)?！?/p>
2006年9月，中國(guó)自主設(shè)計(jì)建造的世界首個(gè)全超導(dǎo)非圓截面核聚變實(shí)驗(yàn)裝置EAST建成，并完成了首次成功放電，獲得電流200千安、時(shí)間接近3秒的高溫等離子體放電。與國(guó)際同類實(shí)驗(yàn)裝置相比，它在當(dāng)時(shí)獲得四項(xiàng)世界“第一”，即使用資金最少、建設(shè)速度最快、投入運(yùn)行最早、運(yùn)行后獲得等離子放電最快。
EAST在近年來(lái)取得了一系列處于國(guó)際領(lǐng)先地位的實(shí)驗(yàn)成果，“現(xiàn)在每年上千人次的國(guó)外科學(xué)家來(lái)我們所開(kāi)展國(guó)際合作。而10年以前，都是我們遠(yuǎn)赴國(guó)外跟人家學(xué)習(xí)?！敝锌圃旱入x子體所常務(wù)副所長(zhǎng)宋云濤說(shuō)。
不過(guò)，在開(kāi)發(fā)利用核聚變能的漫漫“路途”中，EAST還是一個(gè)用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)的裝置。“經(jīng)過(guò)十多年的努力，我國(guó)在科學(xué)研究、工程技術(shù)、人才培養(yǎng)和管理經(jīng)驗(yàn)上已達(dá)到國(guó)際一流水平，具備以我為主、通過(guò)廣泛國(guó)際合作，進(jìn)一步建設(shè)本國(guó)核聚變工程實(shí)驗(yàn)堆的能力。”中國(guó)工程院院士李建剛說(shuō)。
我國(guó)在ITER計(jì)劃中承接9％的采購(gòu)包任務(wù)。截至目前，科學(xué)家攻克了采購(gòu)包任務(wù)中遇到的所有技術(shù)難關(guān)。中科院等離子體所副所長(zhǎng)宋云濤介紹，我國(guó)交付ITER計(jì)劃的采購(gòu)包部件實(shí)現(xiàn)了100％國(guó)產(chǎn)化，而且全部一次性100％合格，并按期交付。ITER組織兩任總干事對(duì)中方的評(píng)價(jià)都是“中國(guó)在采購(gòu)包的研發(fā)、生產(chǎn)方面領(lǐng)先于各方”。與此同時(shí)，我國(guó)自主建造的中科院等離子體所東方超環(huán)（EAST）等裝置已使我國(guó)可以與國(guó)際一流的核聚變實(shí)驗(yàn)室平等交流、對(duì)話。
我國(guó)承擔(dān)ITER任務(wù)的一級(jí)制造企業(yè)總共有20多家，在ITER和國(guó)內(nèi)核聚變實(shí)驗(yàn)裝置建設(shè)階段這些企業(yè)實(shí)現(xiàn)了從無(wú)到有、從有到強(qiáng)的工藝和建造技術(shù)跨越，不只填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，還進(jìn)入國(guó)際領(lǐng)先行列。
從人才培養(yǎng)來(lái)看，現(xiàn)在全球各聚變實(shí)驗(yàn)室?guī)缀醵加形覈?guó)的科研人員。ITER組織中方人員數(shù)量在七方成員中僅次于歐盟，占據(jù)第二。我國(guó)在國(guó)際化大科學(xué)工程管理方面也完成了積累。在ITER組織及其下屬各個(gè)重要機(jī)構(gòu)，中方都有人員擔(dān)任過(guò)重要職務(wù)，發(fā)揮著領(lǐng)導(dǎo)作用。
“人造太陽(yáng)”距離商用還有多遠(yuǎn)
ITER計(jì)劃于2021年建成，2027年全面開(kāi)始以氘、氚燃料為主的實(shí)驗(yàn)堆實(shí)驗(yàn)。
據(jù)了解，在科技部組織下，“中國(guó)核聚變工程實(shí)驗(yàn)堆CFETR設(shè)計(jì)”項(xiàng)目2015年已經(jīng)完成工程概念設(shè)計(jì)，這在國(guó)際上形成了很大的反響，世界聚變研究發(fā)達(dá)國(guó)家美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、意大利等都和我國(guó)建立了密切的聯(lián)系，全面參與CFETR的聯(lián)合設(shè)計(jì)。俄羅斯同行也表示未來(lái)更加深入?yún)⑴cCFETR計(jì)劃，一個(gè)以我為主的國(guó)際合作已現(xiàn)雛形。
CFETR相較于目前在建的ITER，目標(biāo)是更進(jìn)一步掌握和完善未來(lái)建設(shè)商用示范堆所需的工程技術(shù)?？茖W(xué)家們認(rèn)為，建設(shè)CFETR需要二十年左右時(shí)間，如果它能成功實(shí)施將是我國(guó)自主設(shè)計(jì)、研制，以我為主、有廣泛國(guó)際參與的重大科學(xué)工程項(xiàng)目，將促使我國(guó)引領(lǐng)未來(lái)世界聚變能研究，為人類科技發(fā)展做出更多中國(guó)人應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
據(jù)介紹，核聚變工程實(shí)驗(yàn)堆之后是核聚變示范堆的建設(shè)和試運(yùn)行，大概還需要10到20年的時(shí)間，此后真正商用還要有一定的物理運(yùn)行期。如此算來(lái)，核聚變能為人類廣泛造福的時(shí)代來(lái)臨，估計(jì)要到21世紀(jì)中葉以后。
“我這一輩子，大約做了將近二十萬(wàn)次‘人造太陽(yáng)’的實(shí)驗(yàn)，有將近四萬(wàn)次失敗了。這是一個(gè)非常漫長(zhǎng)的過(guò)程。盡管目前我們?cè)诤司圩儗?shí)驗(yàn)裝置上實(shí)現(xiàn)了一百秒放電，但離一千秒、一萬(wàn)秒，離無(wú)限量商用還很遠(yuǎn)，但是我們會(huì)一直往下走?！?5歲的李建剛院士說(shuō)，“我的夢(mèng)想就是在有生之年，有一盞燈泡被核聚變能點(diǎn)亮，這一盞燈泡一定要在中國(guó)！”
