中国科技2020|“人造太阳”的中国力量 人类终极能源还有多远[图]

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2020年年终的中共中央经济工作会议上,中国政府为2021年发展重点部署八大任务。这场中共高层官员的工作会议,不仅将“强化国家战略科技力量”列为下一年经济发展首要任务,且坦言要通过举国体制优势发展高科技,“尽快解决一批‘卡脖子’问题”。显然,在高科技领域的全球竞争中,中国要提高自己的话语权。回看2020年,中国在探月工程、火星探测、卫星导航、载人深潜、量子研究、数据库技术替代、核聚变技术国际参与以及中微子实验和芯片制造等领域,均有亮眼表现或国家战略部署。这些领域的科技研究,对应着怎样的现实意义?中国的竞争优势和现实挑战格局如何?下一步的发展方向又在哪里?

太阳是人类的能量之源,人类的终极能源还是要向太阳内部去寻找,在地球上模拟太阳内部的聚变反应即受控核聚变,也被成为“人造太阳”。图为2018年美国国家航天局(NASA)公布的一张令人难以置信的太阳“爆炸”图像。(视觉中国)

太阳是距离人类最近的恒星,实际上就是一个超级核聚变反应堆,其内部每秒就有7亿吨氢通过聚变反应转化为氦,在这个过程中大约有500万吨的净能量释放到宇宙中,相当于3.86×10^26焦耳的能量。地球仅从中获得了22亿分之一1.76×10^17焦耳,相当于每秒约19公斤的净能量释放,就造就了宜居的地球生态系统,可见核聚变能源之强大。

相比煤炭、石油、天然气等化石能源,太阳能等清洁能源,乃至同为核能源的裂变能源,核聚变能源在能量密度、环保等方面优势明显。以一座装机100万千瓦的发电厂为例,使用煤炭,每年需要250万吨,需要100节编组的火车250列运输;使用燃油,每年需要11万桶石油,需要11艘超级油轮运输;使用裂变反应堆,每年消耗28吨二氧化铀;使用太阳能,则需要5,000英亩土地及储能空间;使用核聚变反应堆,仅需要400磅氘与600吨氚,1,300磅锂-6就能满足需要,一辆小轿车就能运输。

与此同时,以煤炭、燃油为燃料,每年将产生数千万吨的废气,人类对空气污染、温室效应早已不能容忍;核裂变则将产生28吨高放射性废物,目前全球核废料处理以填埋为主,处理能力早已饱和,这些核废料填埋数万年后对人类仍有害;而核聚变仅产生900磅氦气,对环境零污染。

更为重要的是,相比煤炭、石油、天然气等化石能源的储量有限,太阳能、风能等清洁能源的能量密度低,核聚变能源在具备极高能量密度的同时还具备几乎无限的储量。一升海水中的氘通过核聚变反应所释放出的能量就相当于300升汽油,仅海水中就有超过45万亿吨氘,释放的能量足够人类使用上亿年。正因为如此,核聚变能源被视为人类的“终极能源”,所谓受控核聚变实际上就是在地球上模拟太阳内部的核聚变反应,因而被称之为“人造太阳”。

中国惯性约束核聚变实验装置“神光”至今已经发展到“神光Ⅲ”,其终极目标是实现激光受控核聚变点火。图为“神光Ⅱ”靶室。(中国科学院上海光学精密机械研究所官网)

美国国家点火装置与中国神光

受控核聚变技术由两大难点,一是如何激发核聚变,氢弹是以原子弹爆炸形成的高温高压触发聚变反应,显然无法应用于受控核聚变;一是核聚变触发后如何控制,使核聚变在人类控制下提供能源,而不是像氢弹一样释放毁灭之力。此外,地球上任何材料都无法承受核聚变所需的高温高压。

经过几十年的发展,目前世界受控核聚变研究主要有两大技术分支,一是惯性约束聚变(ICF)的路线,一是磁约束聚变(MCF)的路线。其核心在于,通过惯性约束或磁约束,令核聚变在装置内部发生的同时,整个装置运行于可承受的温度乃至于超低温中。对于中国而言,无论是惯性约束还是磁约束,都有研究机构在持续发力,两条腿走路。

所谓惯性约束,即利用激光的冲击波使通常包含氘和氚的燃料球达到极高的温度和压力,进而在燃料球内部“点火”引发核聚变反应。基于由激光直接引发聚变反应的方式,惯性约束研究结果可以被用于制造纯聚变核武器,因而大多由各国的核武器研究机构负责惯性约束研究,比如美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)、中国工程物理研究院,各国之间的交流与合作极少。

美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室建造的国家点火装置(NIF)是当今世界能量最高的惯性约束聚变实验装置,容纳NIF装置的建筑物长215米,宽120米,相当于三个足球场,可以将200万焦耳能量通过192条激光束聚焦到一个点上。目前,NIF成功实现了“能量增益”,即核聚变反应产生的能量首次超过了燃料吸收的能量,也证明了使用强大脉冲激光“点火”实现人工热核聚变的可行性。

中国工程物理研究院与中国科学院上海光学精密机械研究所2015年建成的“神光-Ⅲ”装置,是仅次于美国NIF的世界第二大激光驱动器,具备10万焦耳级ICF实验能力,能量更高的“神光Ⅳ”研制已在计划中。此外,俄罗斯、法国等都在建造类似的高能激光装置。

美国国家点火装置详解(点击查看高清大图):

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目前,ICF技术路线仍前路漫漫,与之相比磁约束核聚变路线前路要光明许多,堪称当代核聚变研究领域的显学。磁约束核聚变目前集中在托卡马克(Tokamak)技术路线,托卡马克装置最早由苏联库尔恰托夫研究所的伊戈尔·塔姆(Igor Tamm)、安德烈·萨哈罗夫(Andrei Sakharov)、列夫·阿齐莫维齐(Lev Artsimovich)等人在上世纪50年代发明。1968年,第三届等离子体物理及受控核聚变研究国际会议上首次发表研究成果——高达1KeV的等离子体被约束几毫秒就震惊世界,打开了磁约束核聚变研究的新世界。

ITER国际大协作与中国三步走战略

托卡马克装置中央是一个环形的真空室,外面缠绕着线圈,通电时托卡马克内部会产生巨大的螺旋型磁场,将其中的等离子体加热到很高的温度,以达到核聚变的目的。经过几十年的研究,目前托卡马克装置已经发展到超导托卡马克阶段,并不同于ICF技术路线的敝帚自珍,自1950年代以来就国际合作与交流不断。上世纪80年代,美国、苏联、欧盟、日本就曾发起国际热核聚变实验反应堆(ITER)建设计划,后因预算等问题作罢。

2006年,中国、美国、俄罗斯、印度、日本、韩国及欧盟签署ITER计划,将在法国南部卡达拉舍建设一个超导托卡马克型聚变实验堆,探索和平利用聚变能发电的科学和工程技术可行性。据了解,ITER将成为世界第一个电站级别的聚变实验堆,是最终实现磁约束聚变商业化必不可少的一步,这也是中国首次以平等伙伴身份参与的最大国际合作项目。

国际热核聚变实验反应堆详解及分工(点击查看高清大图):

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根据计划,中国、美国、俄罗斯、印度、日本、韩国各承担约9%的预算共计65%,欧盟作为设施主办方提供剩余45%的预算,建造所需的组件由七大成员研发制造。比如,印度负责制造低温恒定器,美国负责中央螺旋管,韩国与欧盟负责真空容器,磁体中的环向场线圈由中国、韩国、俄罗斯提供部件日本、欧盟制造,极向场线圈由中国、俄罗斯、欧盟制造等。建筑及土木工程由欧盟负责,中国核工业集团也曾联合法国公司成功中标托卡马克主机TAC-1安装标段工程合同,于2020年5月28日成功完成低温恒定器底座安装。预计ITER将于2021年完成建设阶段,同年开始启动反应堆,并于2025年开始等离子体实验,2035年开始进行全氘-氚聚变实验。

在参与ITER项目国际合作的同时,中国国内磁约束核聚变研究也同步进行,其主要负责单位包括位于安徽合肥的中国科学等离子体物理研究所、四川成都的中国核工业集团西南物理研究院等。中国科学等离子体物理研究所2005年建成的先进实验超导托卡马克实验装置(EAST),是世界第一个全超导磁体托卡马克核聚变反应试验性装置,2006年成功实现放电,2018年首次实现加热功率超过10兆瓦、等离子体储能增加到30万焦耳、等离子体中心电子温度首次达到1亿摄氏度。2020年12月4日,中国目前规模最大、参数最高的先进托卡马克装置中国环流器二号M(HL-2M)在西南物理研究院建成并首次放电,标志着中国自主掌握了大型先进托卡马克装置的设计、建造、运行技术。

2020年12月4日,中国环流器二号M在位于成都的核工业西南物理研究院建成。图为西南物理研究院工作人员在安装调试中国环流器二号M装置时进行环向场线圈外弧段吊装工作。(新华社)

事实上,中国科学等离子体物理研究所、中国核工业集团西南物理研究院作为中国受控核聚变研究的主要单位之一,同时也是中国参与ITER项目的主力与组件分包商,通过参与ITER项目带动了国内相关学科和产业的发展。据中国核聚变领域研究人员披露,在很长一段时间里,美国、日本及欧盟在国际受控核聚变研究中保持明显优势属于第一集团,中国在过去20年里发展迅速,被视为第二集团中崛起追快的国家,已经跻身第一集团。

类似于ITER的“未来中国聚变工程实验堆(CFETR)”已经在规划中,计划分三步走完成受控核聚变研究之路。第一阶段到2021年,CFETR开始立项建设;第二阶段到2035年,计划建成聚变工程实验堆,开始大规模科学实验;第三阶段到2050年,聚变工程实验堆实验成功,建设聚变商业示范堆,完成人类终极能源。目前,国际社会普遍预期也是2050年实现受控核聚变。

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