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“人造太阳”概念图 （资料图片） |
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低温恒温器的基座 图片来源：ITER |
□克莉斯汀 最近发表在英国《等离子体物理杂志》上的报道称，全球首座核聚变反应堆或将在2025年投入运行。 报道中称，这个核聚变反应堆名为SPARC，由MIT（美国麻省理工学院）和美国联邦核聚变系统公司的科学家联合开发。该项目于2018年启动，计划将于明年6月开始建设反应堆，于2025年投入使用。如果能够取得成功，SPARC将成为第一个能够利用核聚变中产生的热量来维持核聚变的反应堆。这个所谓的“人造太阳”将让人类距离自主“生产”大量完全清洁能源之梦想更近一步。 报道中并没有指明该反应堆最终究竟选址何处。事实上，类似的核聚变实验早已在全世界范围内遍地开花，正在组建的核聚变反应堆已有不少，英国、法国、意大利等国都有在建，谁先建成并实验成功且最终投入商业运作，还真说不定。但大家的原理基本相近，目的更是一致——都是为了寻找到高效且持久的清洁能源。 核聚变反应堆与核裂变反应堆的区别 人们曾经谈“核”色变，太多可怕的经历让人们对核武器、核辐射等问题心存恐惧。那科学家们为什么还要继续尝试建大型核聚变反应堆、开发核能源呢？ 首要原因当然还是因为能源短缺问题日渐显著，急需解决，最重要的一点则是核聚变反应堆能带来完全清洁的能源，且其反应过程所必需的燃料——氢气，在地球上的储量足以满足人类长达数百万年的一切能源需求。 需要明确的一点是，核聚变反应堆与我们之前令人谈之色变的核裂变反应堆，其实大不一样。 其最大的区别就在于，核裂变反应堆是利用裂解铀等元素的重原子核来获取能量，在这个裂解过程中，不仅会释放大量能量，同时也会释放出大量危险的核辐射污染环境；而核聚变反应堆在工作过程中不但几乎不会释放任何核辐射，而且不会产生二氧化碳甚至任何其他污染物。 核聚变反应堆的主要工作原理，是在高温条件下将两个较小的原子核聚合为一个较大的原子核，因原子核中多余的胶子和介子被抛弃，其损失的质量便会以能量的方式释放出去，形成大量的光和热。研究人员预测，SPARC能够产生的能量，将是其运行所需投入能量的10倍以上。 这是一场“科技竞赛” 近十几年来，已陆续有十几个国家积极加入了研究“人造太阳”或“仿星器”、搭建核聚变反应堆发电站的“竞赛”中。其中有些“参赛者”还来自于民间私营企业。 目前最为知名的，便是正在法国南部的托卡马克大楼中进行组装的ITER（国际热核聚变实验堆）。它号称是“世界上最大国际热核聚变实验堆”，该核聚变装置包含数百万个零件，或重达2.3万公吨，也是人类历史上迄今为止最大的核聚变工程。整个ITER工地的建筑和土建工程由欧洲建造，现在大约已完成了75%。 该项目于2006年启动，今年7月又举行了安装启动仪式，开始了为期5年的组装阶段。最近一次会议上，他们透露，预计在2025年12月会有第一次等离子试验，以证明反应堆概念的可行性。该项目的目的也正是为大规模核聚变进行概念验证，并不是为了未来的商业用途，但该项目一直面临着预算超支和工期拖延的困扰。 ITER的建设资金主要来自欧盟，其余资金来自中国、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国。各成员国也在为该项目提供组件、系统或建筑物等“实物”捐助。其中包括由印度制造的环绕托卡马克真空容器的低温恒温器和限制超热等离子体的超导磁体。它高30米，直径30米，号称是“有史以来最大的不锈钢真空室”；还有由中国、欧洲和俄罗斯制造的六个极向场（PF）线圈；以及美国制造的号称是“最强大的磁铁”的中央电磁阀模块，等等。 而世界最大的仿星器“Wendelstein 7-X”则放置在德国格赖夫斯瓦尔德的一个大型实验室内。这座受控核聚变装置由马克斯·普朗克等离子体物理研究所承建，主要组装工作已于2014年4月完成。研究者一度宣布，他们已制造出了氦等离子体，目前的研究对象则是制造氢等离子体。 一篇发表于《科学》杂志上的深度报告中，马克斯·普朗克研究所的科学家称，“W7-X”装置是一个更加实用的选择，可以克服托卡马克装置存在的安全问题。与托卡马克相比，“W7-X”不但安全性更高，其最大特点是一次运行可以连续约束超高温等离子体长达30分钟，而托卡马克方式的这一约束时间最高纪录仅为6分30秒。 中国在这方面的表现也十分突出。中国于2006年正式签约加入ITER项目，已成为各合作方中“兑现国际承诺的典范”。2007年起，中国科学技术部便设立了ITER国内配套专项发展磁约束核聚变相关科学技术项目；中科院合肥物质科学研究院的等离子体物理研究所承担了多项ITER采购包研发任务，并成功为ITER计划研制出重要部件“校正场线圈”，其多项性能指标皆达到国际先进水平；大连理工大学物理学院副教授王丰，已成为加入ITER项目核心物理模拟研究团队的首位中国科学家，参与承担该项目的集成模拟平台关键建设任务；中核集团核工业西南物理研究院也是中方参与ITER计划的主要承担单位，近期刚在贵州遵义正式启运由中国完全自主研制的ITER项目重力支撑批量产品。ITER项目中的种种“中国制造”，展示出中国高端制造的水平和能力。 “人造太阳”需要“国际合作” 目前所进行的各种核聚变反应实验，模仿的都是类似太阳等许多恒星获取能量的方法。这些恒星体积巨大，因而具有巨大的引力，它们能将无数原子聚合到一起，在聚合过程中产生的高热量又进一步使更多原子聚合，最终释放出巨大的能量。 但在地球上进行的核聚变反应实验，终究无法产生类似太阳那样的巨大引力。要强迫两个原子核聚合，自然需要巨大的外力相助，这种巨大的外力从何而来、如何施力，一直是科学家们最为头疼的问题。研究者们虽然声称“SPARC的设备将在2025年投入使用”，其实也只是预想，目前仍无法真正模拟出太阳的能源机制，真正有效、可控的等离子体实验仍在探索中。 无论是目前在德国大型实验室里研究中的“仿星器”，还是建在法国南部的目前世界上最大的国际热核聚变实验堆（ITER）里的有“人造太阳”之称的托卡马克装置，都仍处于实验阶段。 托卡马克其实是一种利用磁约束实现受控核聚变的环形装置。其中央是一个环形真空，外面围绕着线圈。通电时内部会产生巨大螺旋形磁场，将其中的等离子体——目前使用的是氢的重同位素（注：某一元素中质量较大的同位素，相对于质量较小的同位素而言，称为重同位素）氚和氘的等离子体——在极端高温和高压下相互融合，以达到受控核聚变的目的。据说目前全球范围内有数百个托卡马克装置已经在建造中，至少有36台托卡马克装置正在运行。但ITER项目中的托卡马克可能将是第一个实现“燃烧”或者说自加热等离子体的装置。 科学家们坚信，这种核聚变反应堆发电站一旦研究成功，所带来的能源一定可以在满足全人类需要的前提下，有力地减缓全球变暖等环境问题。 MIT的等离子体物理学家、新核聚变反应堆研发项目的领导者之一马丁·格林沃尔德认为：“核聚变发电厂一定可以逐步取代现有的化石燃料发电厂，而且不需要像太阳能或风能那样重组电网。” 他们预计，未来在SPARC基础上建设的核聚变电站，将能产生250兆瓦至1000兆瓦的电力。而目前在美国的能源市场中，普通发电厂的发电量一般在100兆瓦到500兆瓦之间。 正如ITER组织总干事贝尔纳·比戈所说：“要建造这样一台机器——地球上的一颗‘恒星’，的确需要国际性合作。”无论是哪一个核聚变反应堆取得成功，受益的都是全人类，而“能使用清洁能源，对我们的星球来说将是一个奇迹”。
