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如果有一盏灯能被聚变之能点亮,我期望它最先在中国

本文为2019年5月20日“我是科学家”演讲活动第十一期——中国制造 | 钟武律 演讲实录:

“未来如果有一盏灯能够被聚变之能点亮,我们期望它最先在——中国!”目前,中国环流器二号A(HL-2A)等大型装置(也被称为“人造太阳”)正在进行核聚变相关的研究和测试。为了让人类有朝一日可以用上清洁可靠的核聚能,科学家如何运用智慧在地球上建起“人造太阳”?中核集团核工业西南物理研究院博士、特聘研究员钟武律为大家带来演讲《受控核聚变:用“人造太阳”点亮能源梦想》。

大家好,我叫钟武律,来自中核集团核工业西南物理研究院。我今天要讲的东西温度特别高——超过1亿度。

1亿度是什么概念?俗话说,万物生长靠太阳,太阳的核心温度大概在1500万度~2000万度;而地球上的金属材料在1000度左右就会融化。1亿度,已经超过太阳温度的5~6倍了。

我们现在要做的工作,就是在地球上建一个能够承受住1亿度、甚至超过2亿度高温的装置。

为什么要建这么一个装置?是为了通过核聚变反应持续续稳定地输出能量,最终解决人类的能源问题,从而造福人类。由于核聚变的原理和太阳发光发热的原理很相似,所以,这些以探索聚变清洁能源为目的的装置被人们称为“人造太阳”。

东方超环(EAST),还有中国环流器二号A(HL-2A),都属于“人造太阳”实验装置。

中国环流器二号A装置在成都,在中核集团核工业西南物理研究院——也就是我工作的地方。实验期间,我天天和它打交道。它由成千上万个零部件组成,非常复杂。

有人问我:你们以后要在地球上造一个太阳吗?

其实这话还真有几分道理,因为我们装置的基本原理确实和太阳的原理是一样的。

太阳之所以能够持续发光发热,正是因为它在时时刻刻发生核聚变反应。

那核聚变是怎么来的,它的能源从哪里来?

其实核聚变是两个轻的原子核融合在一起形成一个重核的过程,它与核裂变相反。在反应过程中,原子核的总质量会减少(质量亏损),会释放出巨大的能量。

反应释放出的能量有多少呢?可以由著名的质能方程来描述,E=mc2。正所谓“大道至简”,爱因斯坦用我们现在看来非常简单的一个公式,就描述了质量和能量之间的关系。

地球上,氢的同位素氘和氚非常容易发生核聚变反应。从左图可以看到:我们可以利用氘和氚,让它们的原子核无限接近,然后融合在一起发生核聚变反应,就会释放能量。

从原理和公式来看,核聚变非常简单;但真正实现起来,却是异常的困难。

想利用核聚变能,就必须要让核聚变变得可控——就意味着要满足三个非常苛刻的条件。

第一,温度要足够高,使燃料变成超过1亿度的等离子体。

第二,密度要足够高,这样两个原子核碰撞的概率就会更大。

第三,要把等离子体在有限的空间里约束足够长时间。

然而在地球上,没有任何材料可以把1亿度高温的等离子体给直接包裹起来。但是聪明的科学家想了一个办法——用强磁场的方式,把带电粒子约束住。

如果我们制造一个环形的磁容器(像甜甜圈或者轮胎),把带电粒子约束住,把高温的等离子体和材料隔离开,它们就会在磁容器里面盘旋、绕圈,而不接触装置内壁。这样的装置就叫托卡马克装置,这种装置很复杂,由很多外部线圈和辅助系统组成。

中国环流器二号A装置装置运行的时候,周边就有很多支撑系统,比如电源系统、控制系统、诊断系统、加热系统等等。

还记得我上完研究生基础课回所里报到的第一天,我们主任就说,“托卡马克等离子体物理啊,没有5年入不了门”,当时我还很不理解。

我回来以后,就参加所里的实验。当时一到控制大厅,就被大屏幕上面形态各异的曲线给镇住了。

后面我们不断学习、不断参加物理实验、不断和专家们一起讨论,才慢慢地对装置运行有了一个概念。我也逐渐明白,核聚变是对每一项技术逼近极限的挑战,是一个多学科高度交叉融合的领域,也是一项系统而庞大的工程,需要科研团队齐心协力合力,去攻克整个聚变研究过程中关键的科学与技术问题。

演讲嘉宾钟武律:《受控核聚变:用“人造太阳”点亮能源梦想》

我回到所里的时候,正赶上2A团队重点攻克一项关键技术——实现高约束模式运行。

什么是高约束模运行呢?如果把磁容器约束的等离子体比作一个沙堆,我们的目的就是把这个沙堆堆得足够高。但是往上加沙子的时候,沙子会往两边垮下来。在底面积不变的前提下,怎样才能把沙堆堆得更高呢?很简单:把沙堆用一块木板围起来,挡住垮下来的沙子。

我们要实现高约束模运行,也是要在等离子体的边缘形成一个很陡的垒,让它起到像木板一样的作用,把芯部等离子体的密度和温度进一步提高,从而有利于聚变反应。

从物理图像来看,高约束模很简单,但真正实现起来却并不容易。我们2A团队花了很多年的时间来攻克这个难题,我们的专家和老师查阅了大量的资料,夜以继日地开展研讨和讨论。因为高约束模运行是整个装置综合能力的体现,不仅要求各个系统要达到最优,还要求参数也达到最优的范围。经过大概1万多次的实验,我们终于在2009年于国内首次实现了高约束模运行。

左边这个照片,是当时实验成功以后大家在一起庆祝,当时我们还是第一次开香槟,大家都沉浸在喜悦之中。当时新闻联播也报道了这个消息,因为这是中国磁约束聚变研究史上一个里程碑的事件。

有了高约束模这个平台以后,我们就可以开展很多更先进的实验。

过去,我们请国外顶尖的科学家来做实验和指导,有时候都请不来,但有了这个平台以后,国外的同行都主动联系我们,想来我们装置做实验,甚至有些还是组团来。

从过去的“请不来”,到今天的“组团来”,这样的变化,靠的是实力。我们也有了越来越多的底气,在国际聚变舞台上,中国有了绝对的话语权。我们将和全世界聚变领域的科学家携手,共同解决人类未来的能源问题。

硕士毕业以后,我以访问学者的身份去了法国原子能委员会的聚变科学所(图右),继续从事等离子体物理实验研究。

其实等离子体被磁场约束住以后也不会那么老实,会时不时会形成一些不稳定性,破坏约束性能,阻碍温度和密度的进一步提高。

其实这种现象,我们在2A装置上早有发现,但并不知道为什么。所以我带着这个问题和我法国的导师,一起利用他们装置的数据进行了进一步分析。

但是对物理本质的理解,除了实验,往往还要结合理论模拟。所以当时我导师联系了一位做理论模拟的法国专家,请她来指导我开展理论模拟的研究。但那个老师特别忙,几个月都没有任何进展。我导师就让我去找她学习程序,然后自己做理论模拟。

后来我找了她,她也热心地指导了我,通过两年实验和理论模拟研究,我们终于找到了答案,这个结果也很快被物理学国际顶级期刊《物理评论快报》接收发表。

收到文章被接收的邮件以后,我非常高兴,大半夜打电话给我法国的导师分享这份喜悦。那一年正好是我接触核聚变的第五年,我心想,这算入门了吗?如果是这样,核聚变的门槛还真不低啊。

确实,受控核聚变研究非常困难。世界上第一颗原子弹爆炸以后,不到十年就实现了和平利用,建成了核电站。科学家就想,氢弹成功以后,应该也用不了多长时间就能够实现和平利用,实现受控核聚变。但后来的研究发现,并没有那么简单,它需要全世界的科学家一起来努力完成。

所以就有了国际热核聚变堆计划,简称ITER计划。由中国、美国、欧盟、俄罗斯、日本、韩国和印度七方参与,计划在法国南部美丽的普罗旺斯地区共同建造一个世界上最大的托卡马克装置。

ITER是目前全球影响最深远的、最大的国际合作项目之一,也是中国以平等身份参加的最大的国际科技合作项目。其中,中国承担了大概9%的采购包研发任务。

中国在采购包研发制造过程中,取得了重大突破,解决了一系列的工程和技术问题。比如说核工业西南物理研究院研发的第一壁采购包半原型部件,在国际上率先通过了高热负荷的认证,这也是中国在世界范围内首次通过这样的认证。所以圈内非常振奋,国际同行也纷纷发来邮件祝贺。

其实这是ITER组织交给中国团队的一份高难度的作业,因为第一壁是ITER装置的关键部件,要直接面向1亿度的高温等离子体。世界上拥有这种特殊材料提取和制备工艺的国家中,美国处于绝对的技术垄断地位。所以那个时候,我们有钱也买不到。我们院的科研团队通过超过十年的特殊材料研制,该自主研制的材料问世后,将美国的垄断价格降低了90%,也让中国在这个技术上直接从“跟跑”实现了“领跑”。

中国参与ITER十多年来,在材料科学、超导技术和精密加工等领域的研发能力和制造水平都取得了长足的进步。目前我们中国承担的ITER采购包,不管是在研发进度还是完成质量方面,都处于七方之首。在科学研究方面,我们依托国内的几个大装置和国际的装置,通过国际合作的形式也取得了一系列国际领先的科技成果。所以看得出来,中国的磁约束聚变正在走向国际的前列。

其实核聚变还是很多科幻大片里面的素材。过年的时候,《流浪地球》热映,有朋友就问我,“行星发动机是不是你们研究的那个东西?”包括我儿子也问我发动机什么时候造成。前不久,《复仇者联盟4:终局之战》上映,又有人问我,“钢铁侠胸前那个放射反应堆是不是你们研究的东西?”

其实还是有区别:《流浪地球》里面烧石头的行星发动机,原理是重核聚变,如果真的带着地球去流浪了,可能还没到目的地地球就被烧光了。

我们做的轻核聚变就不一样。地球上更容易实现的聚变是氢的同位素氘和氚,其中氘可以从海水里面提取——一升海水里面的氘如果用于聚变反应,释放的能量大概等效于300升汽油燃烧释放的能量。据目前估计,海水中的氘里面可供人类使用上百亿年,而太阳的寿命也就100亿年。所以从这个时间尺度来看,聚变燃料非常丰富,可谓“取之不尽,用之不竭”。

此外,核聚变堆是固有安全的,因为反应条件非常苛刻,任何一点小故障都会让它的反应停止。

最后,它是一种清洁友好的能源。整个反应过程中,它不会释放有害气体和温室气体,也不会产生长寿命的放射性产物。所以说,核聚变能是人类最理想的能源之一。

等到实现核聚变的那一天,我想我们有望彻底解决人类的能源问题。那个时候,环境问题、社会问题、电价问题等等,都将不成为问题,我们的生活将是多么美好。

我们中国环流器2A装置在运行的时候,控制大厅的中间有一个大屏幕来呈现等离子体的图像。当我看到这个等离子体被约束住,发光的时候,我觉得它特别美。这种感觉就像人类第一次看到自己点燃了篝火——发光发亮,充满希望。

最后,期待更多的新生力量能够加入我们中国聚变队伍,接力聚变火炬,我们一起用智慧来点燃蓝色的海洋!

演讲嘉宾钟武律:《受控核聚变:用“人造太阳”点亮能源梦想》

The End

发布于2019-06-19, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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