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“如果將來有一盞燈會被聚變能點亮， 相信這盞燈一定、也必須是在中國！ ”
4月22日，#科幻作家走進新國企#第二站來到中核集團。在核工業(yè)西南物理研究院，中國“人造太陽”裝置首次對科幻、科普作家開放。據(jù)介紹，這個裝置的最大意義在于 提供核聚變研究平臺，助力開發(fā)人類的終極能源。為什么這么說？一起聽聽科普作家的介紹。
屬于宇宙和未來的能源
能源是可以為人類生產(chǎn)或生活提供所需的光、熱、動力等任一形式能量的資源。作為人類最偉大的發(fā)明之一和未來最理想的能源，核能在世界能源體系中扮演著越來越重要的角色。
什么是核聚變？
核聚變，顧名思義，是利用原子核聚變反應產(chǎn)生能量。人類最早發(fā)現(xiàn)的核聚變反應是太陽內(nèi)的核反應，它不斷地向外輻射能量，向地球輸送能源。因此，核聚變也被看作是宇宙的能源。它的好處也是顯而易見，比如安全性高，廢料處理成本低，原料容易獲得等等。
核聚變的燃料，氫的同位素氘在海水中儲量極為豐富，從一升海水中提出的氘，在完全的聚變反應中可釋放相當于燃燒300升汽油的能量。核聚變反應堆不會產(chǎn)生污染環(huán)境的硫、氮氧化物，更不會釋放溫室效應氣體，而且核聚變反應堆具有絕對的安全性?？梢哉f它是一種無污染，無核廢料，資源近乎無限的理想能源。受控核聚變發(fā)電的實現(xiàn)將 從根本上解決人類的能源問題。
這話說起來容易，實踐起來談何容易，太陽是一顆中等質(zhì)量的恒星，質(zhì)量相當于地球的N倍，其內(nèi)部可以達到1500萬度的高溫和N個大氣壓的高壓，所以能夠產(chǎn)生可持續(xù)的核反應。而氫彈，其爆炸機理干脆就是 用原子彈當引信，利用原子彈核裂變反應產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)核原料產(chǎn)生聚變反應。
受控核聚變反可用慣性約束或者磁約束的方式使之發(fā)生可控的、安全的核聚變反應，從中獲得的熱量可以轉(zhuǎn)化為機械能，進而轉(zhuǎn)化為電能，以替代目前廣為使用的化石能源。
五十年的魔咒？
由于受控核聚變裝置的基本物理原理與太陽內(nèi)部核反應的機理相仿，所以這種裝置被形象地稱為“人造太陽”。
作為一個科技愛好者，我聽說過 “受控核聚變發(fā)電，永遠的50年后”的魔咒。這個魔咒說的是，自20世紀50年代受控核聚變原理提出以來，每逢有媒體問到相關(guān)專家何時才能實現(xiàn)發(fā)電時，專家總說50年后，一個10年又一個10年過去了，直到20世紀末答案仍是這樣。
為何會出現(xiàn)受控核聚變發(fā)電“永遠的五十年后”魔咒？如何打破這個魔咒？
帶著這個問題，我請教了該研究院的院長劉永。他誠懇地說：
的確有這個問題，受控核聚變太難了
現(xiàn)在各國已經(jīng)聯(lián)合起來進行技術(shù)突破。2007年ITER組織成立。國際熱核聚變實驗堆（ITER）是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一，規(guī)模僅次于國際空間站的國際大科學工程計劃。ITER將是世界上第一個聚變實驗堆，是最終實現(xiàn)磁約束聚變能商業(yè)化必不可少的關(guān)鍵一步！
ITER是一個 能產(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應的超導托卡馬克，體積接近天壇祈年殿的尺寸，高30米，直徑28米，重達1萬噸。它將用強磁場約束高溫等離子體，最終實現(xiàn)核聚變能量的穩(wěn)定可控釋放，預計在本世界中葉實現(xiàn)核聚變能發(fā)電，從而造福人類。
中國作為理事會“七方”成員之一，與歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國共同資助這一項目，承擔項目工程建設(shè)階段18個采購包的制造任務。
中國承擔的18個采購包，包括了磁體支撐、校正場線圈系統(tǒng)、磁體饋線系統(tǒng)、氣體注入系統(tǒng)、診斷系統(tǒng)等重要組成部分。按計劃，該項目所需的 所有大型部件將于2021年到位。ITER總干事認為中國交付相關(guān)產(chǎn)品“按時保質(zhì)”，堪稱合作各方的榜樣。
▲劉永院長講解核聚變知識
劉永院長介紹說，研究過程中會遇到許多預想不到的困難，充滿不確定性，但挑戰(zhàn)與機遇并存。在遇到預想不到的困難的同時，往往也會出現(xiàn)預想不到的發(fā)現(xiàn)與進展，這也是研究的樂趣所在，現(xiàn)在看來經(jīng)過全世界幾代研究者的不懈努力，看到受控核聚變發(fā)電的前景，
不會再用50年了，也許再用30年就可以實現(xiàn)了。
啥是托卡馬克？
從20世紀40年代末開始，世界各科技強國就開發(fā)了多種方式，研究核聚變等離子體的約束方法。在這個過程中，人們對實現(xiàn)可控核聚變難度的認識也逐步加深，1954年，蘇聯(lián)庫爾恰托夫原子能研究所發(fā)明了具有軸對稱磁場位形的托卡馬克（Tokamak）裝置。
托卡馬克是指環(huán)形磁約束受控核聚變實驗裝置，所以中文又稱環(huán)流器，它是由一個環(huán)形封閉磁場組成的磁籠子，高溫高壓的等離子體就被約束在這個磁場構(gòu)成的無形籠子里，這個磁籠的外形很像一個中空的救生圈，等離子體環(huán)中能產(chǎn)生一個很大的環(huán)電流。
從20世紀70年代開始，托卡馬克這種途徑逐漸顯出其獨特的優(yōu)越性，并在80年代，成為受控核聚變研究的主流途徑。經(jīng)過近半個世紀的努力，托卡馬克已經(jīng)顯示出光明的前景，等離子體約束獲得明顯效果，溫度達到上億度。而產(chǎn)生核聚變能量的科學可行性已經(jīng)被證實了，但是相關(guān)的成果都是以短脈沖的形式產(chǎn)生的，與實際反應堆連續(xù)運行還有很大的距離，而且核聚變反應能否實現(xiàn)氚自持仍然需要實驗驗證，如果氚自持的難題一旦被攻克，那么我們離商業(yè)發(fā)電又進了一大步。
我問劉永的第二個問題是，托卡馬克研究進展這么慢，原因在于有可能它并不是最優(yōu)的受控核聚變裝置構(gòu)型，也許現(xiàn)在各國都對托卡馬克產(chǎn)生了技術(shù)的路徑依賴，而真正適合受控核聚變的技術(shù)構(gòu)型人類還沒有探索出來。
對此，劉永回答說，的確有這種可能，而且包括中國在內(nèi)的研究核聚變的主要國家也的確都在分出一部分精力在研究其他構(gòu)型的核聚變裝置。目前僅次于托卡馬克的裝置叫做 仿星器。德國就用一半的核聚變研究經(jīng)費來研究仿星器構(gòu)型，這是一種備選的技術(shù)方案。不過國際學術(shù)界公認的是，雖然托卡馬克進展沒有那么快，但仍是 目前最有希望成功的可控核聚變裝置。
追日的夸父——中核人
我國于上世紀90年代制定了“熱堆-快堆-聚變堆”三步走的核能發(fā)展戰(zhàn)略。《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》，將磁約束核聚變列為先進能源技術(shù)。《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》，將“磁約束核聚變能發(fā)展”列入了戰(zhàn)略性前瞻性重大科學問題。
我國核聚變研究始于50年代，開始是原理性和探索性研究。中核集團核工業(yè)西南物理研究院于1965年在四川建立，是我國最早的聚變研究專業(yè)院所。 核西物院作為我國參與ITER計劃的主要技術(shù)支撐和研制任務主要承擔單位之一，承擔了我國ITER采購包任務中絕大部分涉核部件的研發(fā)與加工制造任務。
從70年代末到80年代初，我國開始在托卡馬克型裝置上進行了重點研究。于1984年在核工業(yè)西南物理研究院建成的中國環(huán)流器一號（HL-1）是我國自主設(shè)計建造的第一個聚變大科學工程裝置，標志著我國受控核聚變研究進入大規(guī)模物理實驗階段。
從控制室出來，穿過一個帶有螺旋形樓梯的小隔間，通過一道門，就是容納“中國環(huán)流器二號A(HL-2A)”的“車間”了。
看到這臺機器第一感覺是大，第二感覺是多，說它大是因為它有兩層樓那么高，占地面積上百平方米。說它多，是因為各種管路，線圈，電線，機柜圍繞在它周圍，充滿了復雜的技術(shù)細節(jié)。而就是這臺機器，代表了人類馴服太陽力量的嘗試。
我早就看過環(huán)流器的圖片，也在電視上看過關(guān)于它的新聞，今天真正站到它面前，可以說近在咫尺，一時卻無法體會它的意義，更無從理解它的原理。
從能源史的角度看，面對它，相當于我們面對猿人升起的第一堆火、工業(yè)革命初期的第一臺燃煤鍋爐、19世紀的第一口油井……這種類比恐怕還不恰當，可能受控核聚變裝置的科技史意義要更為獨特。上述能源都是地質(zhì)年代以來貯存在地殼中的，被植物光合作用凝固的太陽核聚變能。而環(huán)流器，則希望跨過那些中間環(huán)節(jié)，直奔主題。
給我們講解的小伙子是核西物院的博士生，我們可以把他和他的同事、老師看作是未來的夸父或者普羅米修斯——把恒星之火平安帶到地球的人。
普通人靠近“太陽”是什么感受？
我想起赫魯曉夫在回憶錄里寫到他第一次看到蘇聯(lián)運載火箭時的感受， “我們這些人像傻子一樣，這里看看，那里摸摸，差點就用舌頭去舔一舔火箭外殼的味道了”。
此時，我感覺自己比赫魯曉夫還要無助。
我只能碎片式地接受：有的裝置是探測核聚變釋放出中子的，有的是測量磁場的，有的是為核聚變供電的，有的是進行磁場控制的。
畢竟受控核聚變不是一個獨立的專業(yè)，而是一個 高度綜合的學科。搞激光的，有搞閥門的，有搞等離子體物理的，有搞材料的，電控的，計算機的，等等等等，太多了……沒有任何一個人能掌握關(guān)于它的所有知識。而這個研究院號稱總師單位，是專門負責系統(tǒng)集成的。核聚變研究也是一個國家科技實力，工業(yè)實力的象征。 沒有一定水平，是搞不了這個的。
我只能零星引用一些它的參數(shù)，供讀者了解中國環(huán)流器二號A(HL-2A)的規(guī)模。
首先它的產(chǎn)生的磁場比地磁場強1萬倍。其次，它產(chǎn)生的等離子體威力有多強？他們曾經(jīng)做過等離子體導出實驗： 直徑10厘米、厚兩厘米的銅圓盤，被等離子體擊中，不到一秒鐘就消失了。并不是被氣化了，而且是銅盤被等離子化了。
另外，上千萬度乃至一億度的等離子體溫度是通過間接方法測量出來的。因為 沒有儀器可以測量這樣的高溫。
普通的燃煤鍋爐運行一段時間后，需要熄火打掃爐膛，清除里面的廢渣。這臺燃燒核聚變?nèi)剂系摹板仩t”也是這樣。科研人員會用輝光放電“打掃”真空室內(nèi)部。
溫度那么高的等離子體在運行，所有物體固態(tài)物質(zhì)不是都被氣化了嗎？怎么還會有固體雜質(zhì)呢？其實等離子體的核心溫度有上千萬度乃至上億度，但是 邊緣溫度會被控制得很低，只有上千度。否則真空腔內(nèi)壁也會被熔化。
目前內(nèi)壁是碳材料，碳耐高溫，但活性炭也善于吸附雜質(zhì)，所以會有等離子體與內(nèi)壁作用生成的雜質(zhì)附著在上面，影響實驗精度，需要清除。要知道，一丁點雜質(zhì)就會產(chǎn)生雪崩效應，使得等離子體形態(tài)與運動方式發(fā)生劇烈變化，結(jié)果就是高速粒子轟擊到內(nèi)壁，破壞真空腔。
這么復雜的裝置，一定做過很多次核聚變實驗吧？
是的，聽工作人員講解， 從2003年至2019年，該裝置共放電33000次。但每次放電平均時長只有兩秒鐘。所以，16年來實驗總時長還不到24小時（86,400秒）。真正的發(fā)電廠可是要24小時不間斷運行的。
參觀時，該裝置自然沒有運行，所以我好奇地問工作人員，裝置運行時的感官體驗是什么樣的？
他說，從 視覺上來看，只能用攝像頭對準真空腔上開的玻璃小窗口，從屏幕上看到里面的情況——紅色的火焰——并不感覺溫度有多高。
至于 振動？并沒有。但由于實驗時磁場啟動，而且等離子體高速運行時也會產(chǎn)生電磁場，所以這些金屬設(shè)備里面會產(chǎn)生渦電流，被這些磁場吸引，金屬會產(chǎn)生巨大的扭力，但這些力肉眼是看不到的。因此核聚變裝置對于材料學的要求是非常高的。
至于 聽覺嘛，根本聽不到任何聲音。因為等離子體的密度實在太低了，無法傳遞人耳可辨別的聲音。
所以讓我們設(shè)想一下這個裝置啟動時的樣子：
只有一個小窗透出微弱的閃動的紅色火光，四周靜悄悄的，只有電機的聲音和一些電氣設(shè)備風扇的嗡嗡聲。但你若懂它的工作原理，你會知道所有的金屬都在絞著勁兒，緊繃著，抵抗著巨大的磁力。正是這磁力約束著高溫的、產(chǎn)生核聚變反應的等離子體。
把天火永遠留在大地上
我們只在這里停留半天，匆匆過客。
這個環(huán)境里蘊含的信息量太大，普通人腦是無法在這么短時間記住這么多東西的。人的思維和體力都有極限。余生也有涯，而知也無涯。但正是這種存在極限的人聯(lián)合起來，可以完成這樣巨大的科學工程，其復雜程度超出了任何人類個體的認識能力。
研究院的科研人員從博士畢業(yè)算起，至少要在這里工作三十年，還不一定看到可控核聚變商用發(fā)電成功的結(jié)果。在中國環(huán)流器二號A(HL-2A)面前，我們是小過客，他們是大過客。在已經(jīng)靠核聚變?nèi)紵宋迨畠|年的太陽面前，人類更是匆匆過客。
但人類可以代代接力， “子子孫孫無窮匱也”， 把天火永遠留在大地上。
研究院的那些老員工也的確是這樣想，也是這樣做的。他們相信，這是一項對全人類都有益的事業(yè)，而且科學研究的過程不斷有新的發(fā)現(xiàn)，充滿樂趣。他們甘愿把自己的韶華拋灑在這個貌似看不到成功曙光的崇高事業(yè)上。
而對于研究院的新生代而言，他們則對未來十分有信心， “如果將來有一盞燈會被聚變能點亮，相信這盞燈一定、也必須是在中國！”該院的特聘研究員鐘武律博士這樣說道。
▲關(guān)于“人造太陽”，聽聽科學家怎么說。
自古以來，試圖靠近太陽的人好像結(jié)局都不是很美妙：夸父逐日，最后饑渴而死；伊卡洛斯和代達羅斯飛向太陽，用蠟粘合的翅膀卻被陽光熔化，墜海而死。但他們的英名都永傳后世，成為人們 追求希望、力圖掌控技術(shù)的象征。
奧斯特洛夫斯基有句名言：“一個人的一生應該這樣度過，當他回首往事的時候，不會因為碌碌無為而羞愧，也不會因為虛度光陰而悔恨，這樣，在臨死的時候，他能夠說，我的整個生命和全部精力都已獻給世界上最壯麗的事業(yè)——為人類的解放而斗爭?！?/p>
為人類尋求永不枯竭的清潔、安全能源，不就是人類的解放而斗爭嗎？這時我理解了，為什么那些老專家談到可控核聚變的研究事業(yè)是長跑， 是接力跑，而不是短跑。這需要一代又一代有志于此的人接力奮斗。
從這個意義上來說，雖然目前這些圍繞在人造太陽周圍的科學家仍默默無聞，有的還奉獻了全部青春，但是當人造太陽實現(xiàn)應用的那一刻，他們的英名將永遠載入科技歷史的殿堂中，與夸父和代達羅斯并列。
最后，我還想到，這個裝置核能如何體現(xiàn)絲綢之路精神？僅是這個研究院，每年都有100多人次赴美、日、歐進行學術(shù)交流。該院的學術(shù)水平，已經(jīng)從在國際上跟跑、并跑，逐漸向領(lǐng)跑過渡，在某些方面已經(jīng)達到國際領(lǐng)先地位。顯然，沒有國際合作、單靠一個國家單打獨斗，形不成合力，受控核聚變發(fā)電的實現(xiàn)還要推遲很多年。只有秉承 “開放包容、互學互鑒”的絲路精神，這一天才能早日到來。
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4月22日，由中央網(wǎng)信辦網(wǎng)評局、國務院國資委宣傳局指導，國務院國資委新聞中心聯(lián)合環(huán)球網(wǎng)、果殼、未來事務管理局、新浪微博共同發(fā)起的 “科幻作家走進新國企”第二站——“人造太陽”主題活動在中核集團核工業(yè)西南物理研究院正式啟動。
3天的行程， 11位科幻科普作家走進中核集團，深入兩個中國核工業(yè)重量級院所、兩個從未開放過的神秘基地，進行調(diào)研采風，近距離感受現(xiàn)實版“人造太陽”的聚變力量，切身體會“華龍一號”鏈式裂變力量是如何造福人類，真正理解鋼鐵俠的心臟是如何源源不斷的提供能量，親身感受大國重器的工業(yè)化力量與美感。
