ITER项目耗资将超过100亿美元,作为参与国,中国将承担10%的资金,它也是迄今为止,中国参与的最昂贵也最具挑战性的大科学工程国际合作项目
《瞭望东方周刊》记者杨天 | 合肥报道
赴合肥旅游的游客,经常被当地朋友邀请到市郊的“科学岛”。这个面积不足3平方公里的小半岛,远离市区,三面环水,鸟语花香。但即使是当地市民也很少有人了解,这个岛上有个神奇的装置,它承载了一项关乎人类未来的重大科研项目---“人造太阳”。
“听到‘人造太阳’,你能想到什么?”央视《新闻会客厅》栏目记者,就此问题在街头随机采访,答案千奇百怪:灯泡、玩具、艺术品⋯⋯坐在演播厅现场的中国科学院等离子体物理研究所研究员万元熙,对于人们这种“美丽的误会”报以理解的微笑。
“‘人造太阳’并不是像太阳一样悬挂在天空,而是建造在地球上的受控热核聚变反应堆或核聚变电站,它能像太阳一样通过核聚变反应释放能量,进而发电。”万元熙解释。
100年前,爱因斯坦预见到在原子核中蕴藏着巨大的能量。1939年,美国物理学家贝特证实,一个氘原子核和一个氚原子核碰撞,结合成一个氦原子核,并释放出一个中子和17.6兆电子伏特的能量。这个发现,揭示了太阳“燃烧”的奥秘。
科学家初步估计,地球上的海水中蕴藏了大约40万亿吨氘。而1升海水提取的氢的同位素氘,在完全的聚变反应中释放的能量,相当于燃烧300升汽油释放的热能。如果把自然界中的氘用于聚变反应,释放的能量足够人类使用100亿年。
于是,制造一个装置,通过受控热核聚变反应获得无穷尽的新能源,成为万元熙和全世界许多科学家的梦想。“这就相当于人类为自己制造一个或数个小太阳,源源不断从核聚变中得到能量。”
科技部长发出“英雄帖”
整整3年前,一群中外科学家汇聚于合肥“科学岛”。安静的实验大厅里,所有的人都紧盯着电脑屏幕。“真空”,“正常”;“低温”,“正常”⋯⋯在一连串指令对话中,我国最新一代核聚变实验装置首次放电,成功获得电流超过500千安、时间近5秒的高温等离子体放电。
装置有个很拗口的名称:全超导托卡马克实验装置,英语简称EAST。使用这个装置,其外围大线圈和磁体会产生一个环形磁容器,在这个磁容器里面可以约束、加热聚变的燃料,使之发生聚变反应。
EAST的核心装置被安放在一栋封闭建筑物内。这是一个高12米、重400多吨的落地圆柱体大容器,这个“大锅炉”似的装置,被看作是“人造太阳”的原始雏形。
用来安置EAST的实验大厅于2001年开始建造,至全部竣工,共耗时5年。顶层和天花板之间,灌注了1米深的水。“水是用来防中子辐射的。”负责EAST装置“总控和数据采集”系统的专家、东华大学教授罗家融解释说。大厅下方,还有4米深的地下室。
2007年1月15日,EAST再次放电成功。该装置具有完整的自主知识产权,目前处于国际同类装置领先水平,为中国全面参与即将建设的国际热核聚变实验堆(ITER)计划创造了良好的条件。
由29位国际聚变界权威人士组成的国际顾问委员,在评价意见中指出:“EAST是全世界聚变工程的非凡业绩,是全世界聚变能开发的杰出成就和重要里程碑。”
早在1998年,我国就将研制全超导核聚变实验装置项目,列为“九五”期间6大科学工程之一。合肥的“科学岛”成为实验基地。
“听说我们要用2000万美元建造全超导核聚变装置,国外没有人相信,认为中国人只是嘴上说说而已。”等离子体研究所副所长武松涛曾在接受新华社记者采访时回忆。
当时,实验装置上的零部件大部分在国内没有生产。武松涛曾和同事去俄罗斯考察,想买几百个如同圆珠笔大小的重要部件。对方一个零件1400美元的报价,让他们瞠目结舌,最后决心自己动手做。
2006年,耗时8年、耗资2亿元人民币的世界第一座EAST装置,在中科院等离子所建成。时任科技部部长的徐冠华向世界各国科学家发出“英雄帖”:欢迎到科学岛来“做实验”。
“这个装置的研究成果,对即将建设的国际热核聚变试验堆ITER计划的工程技术,以及物理基础研究方面将有重大意义。”万元熙评价。
另一种材料来自月亮
石油、天然气储量告急,寻找替代能源十分急迫。
核能分裂变能和聚变能两种,上海交通大学核科学与系统工程系教授曹学武告诉《望东方周刊》,未来占主导的能源将是核聚变能和太阳能。当前,上述两种技术远未成熟,而在对化石能源替代又很迫切的情况下,核裂变能是不可或缺的过渡。
但裂变需要的铀、钚等重金属元素储量有限,其放射性也具有致命的危险。在实验室中,聚变反应的优点被不断发现---它产生的能量是核裂变的7倍,反应产物是无放射性污染的氦。更完美的是,未来的聚变电站会始终处于次临界安全运行状态,一旦出现意外,反应会自动停止,不会发生像三哩岛和切尔诺贝利那样的核泄漏事故。
成本低同样是核聚变的优势:1公斤浓缩铀的成本约为1.2万美元,而1公斤氘仅需300美元。
聚变的优势还在于效率。科学家们一致看好使用氦3,声称全世界眼下一年所消耗的电力,只需100吨氦3就能解决。哪里能找到氦3?答案是月亮。那里的土壤含有多达100万吨的核聚变燃料。
“人造太阳”项目一旦实现商用化,人类将不必再担心能源问题。
7方联手为人类寻找洁净能源
上个世纪50年代初,美国和苏联率先开始秘密研究可控核聚变,然而随着研究的深入,理论和技术上遭遇重重障碍。自此,各国认识到,只有开展广泛的国际合作,才是加速实现核聚变能利用的唯一可行之路。热核聚变技术是冷战时期各国仍旧保持互通有无的特例。
科学家们希望,能够创造一个类似于太阳环境的装置,但其困难程度远远超出预想。如果让氘和氚发生聚变反应,环境温度必须达到1亿摄氏度以上。在这样的高温下,要把氘氚气体约束在一起,什么材料能做成容器?
1969年,苏联科学家提出了“托卡马克”的概念。就是利用环形封闭磁场组成的“磁笼”, 把那些灼热的处于等离子状态的燃料约束起来---这成为“人造太阳”工程的主体。
2006年11月,来自欧盟、美国、中国、日本、印度、俄罗斯和韩国的7方代表在法国巴黎举行的国际热核聚变实验反应堆计划(简称“ITER”) 的会议上,正式签署了联合实验协定,“人造太阳”计划正式启动。占世界人口一半左右的7方,联合为全人类寻找新的洁净能源,其意义不亚于人类基因工程和建造国际空间站。
ITER项目耗资将超过100亿美元,作为参与国,中国将承担10%的资金,它也是迄今为止,中国参与的最昂贵也最具挑战性的大科学工程国际合作项目。
“ITER”在拉丁文中意为“道路”,它并非坦途,而是布满荆棘。
人们本来设想,有了“磁笼”(托卡马克),只需把氘、氚放入炉内加火烤制,把握好“火候”,能量就应该流出来。其实不然。人们接着遇到的麻烦是,在加热等离子体的过程中能量耗散严重,温度越高,耗散越大。一方面,高温下粒子的碰撞使等离子体的粒子一步一步地横越磁力线,携带能量逃逸;另一方面,高温下的电磁辐射也要带走能量。这样,要想把氘、氚等离子体加热到所需的温度,不是件容易的事。
2008年开始,ITER计划进入正式实施阶段,实验堆在法国卡达拉舍动工建造。计划预计持续35年,前10年用于建设反应堆;后20年用于操作实验;最后5年是将实验的反应堆活化、拆除。
“和现在的EAST相比,ITER装置要大5倍。”罗家融说。
“ITER一旦建成,就表明人类向核聚变发电迈进了很好的一步。”曹学武告诉本刊记者,无论是EAST,还是即将动工的ITER装置,它们都只是实验堆,离真正的商业运行还很遥远。在投入商业运行之前,还需要经过实验堆、预研堆、商业堆三个阶段。每个阶段的研究,都需要漫长的研究攻关。
到2019年的未来十年中,中国将在“科学岛”EAST装置上进行前期研究开发,为ITER装置的运行和开发做好相关准备。来自中国的各类部件,将根据需求不断运往法国卡达拉舍,为人类的又一次能源革命奠定基础。