中科院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所所長李建剛在EAST模型前介紹其工作原理。
“大家看著它像鍋爐，實際上它的工作原理像太陽或氫彈。”李建剛幽默地說:“實驗中，要將等離子體加熱到數千萬攝氏度的高溫，怎么加熱？就是通過微波的方式。老百姓家用的微波爐，通常只有幾百瓦的功率，而這臺‘微波爐’的功率高達16兆瓦，是家用微波爐的數萬倍。”
等離子體所微波技術研究室劉甫坤研究員正在實驗室介紹他的工作。記者杜 銘攝
實現可控制的核聚變反應，打造一個“人造太陽”是世人的期盼，因為這可以一勞永逸地解決人類面臨的能源短缺問題。
令人興奮的是“人造太陽”可望由夢想逐步變為現實。日前，中國新一代“人造太陽”實驗裝置2012年度物理實驗成功，創造了兩項世界紀錄。
“人造太陽”
能源的終極夢想
“人造太陽”——這個人類對能源的終極夢想，聽起來太科幻了。
“人造太陽”原理并不神秘。早在幾十年前，隨著核物理的重大發現，人類早已揭開了太陽燃燒的秘密，并且利用原子中釋放出的巨大能量造出了原子彈、氫彈與核電站。核電站采用的就是核裂變技術，核電的廣泛利用已深刻地影響了當今世界的能源圖景。
遺憾的是核裂變技術發電雖然容易實現，但還存在諸多缺陷：放射性污染、核廢料的產生、用來產生核裂變的鈾235等重金屬元素在地球上儲量有限等，將在一定程度上制約核裂變能的發展。
同核裂變相比，核聚變將為人類提供更理想的新能源。單位質量核聚變產生的能量比核裂變大幾倍。它的原理和太陽發光發熱的原理相同，巨大的能量來自氫元素的核聚變反應。從海水中可以提煉出大量的氫和氫的同位素氘，它們通過聚變反應能產生大量能量。
但50多年過去了，核聚變發電站距離我們仍十分遙遠。
“核聚變要比核裂變難得多。核裂變就好比將一團棉絮輕輕一撕就能扯開了，而核聚變像是在大風中，要讓兩根極輕的棉絮碰到一起，難度可想而知。”中科院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所研究員龔先祖說。
托卡馬克
“磁籠”托起“太陽”
“人造太陽”前景無限美好，道路卻充滿曲折。
太陽表面的溫度高達6000攝氏度，中心溫度更是高達1500萬攝氏度。如此高溫，足以讓任何接近太陽的物體瞬間變成氣體。要讓核聚變反應在地球上發生，需要將粒子的溫度加熱到上億攝氏度，用什么器皿才能容納億萬攝氏度高溫的燃料？
科學家的解決方案令人拍案叫絕：用一個“磁籠”把“人造太陽”托在空中。“具體而言，就是用磁場形成的一個籠子，把高溫等離子體給約束住，不讓它跑出來。這個裝置叫托卡馬克。”龔先祖說。
“人造太陽”被約束在“磁籠”中運動，懸浮在空中，不和物體接觸，就不用擔心上億攝氏度的高溫熔化器皿了。磁約束聚變利用強磁場這一“磁容器”來約束高溫等離子體，并進而將其加熱至上億攝氏度，從而維持連續的熱核反應，并將其巨大的能量轉化為電能。
現在所有的托卡馬克都還只是聚變基礎研究的實驗裝置，用來驗證科學家的設想，研究將來建設反應堆過程中會遇到的種種物理和工程技術問題。“從目前來說，我們要一步步做實驗，研究其機理，發現很多物理現象和可能面臨的問題，然后進行升級改造。”龔先祖說。
中國工程院院士、EAST工程項目總經理萬元熙介紹，未來聚變電站必須長時間運行，目前國際上大部分托卡馬克只能運行數秒鐘，只是在科學上驗證了受控核聚變在原理上行得通，但還不能驗證工程可行性。長時間維持和控制數千萬攝氏度等離子體是個極大的難題，能否實現未來國際熱核試驗堆ITER所需要的400秒運行，目前科學家還沒有充足的把握，它涉及等離子體精確控制、全超導磁體安全運行、有效加熱與驅動、等離子體與材料強相互作用等復雜的科學技術問題。
“東方超環”
發力大科學裝置
光有好的想法還遠遠不夠，難的是將想法變成現實。
托卡馬克裝置對人類的工程技術水平提出了極其嚴苛的要求。受控核聚變的關鍵技術中，面臨兩個重大課題：一是如何將聚變燃料加熱到極高溫并長時間維持，二是“第一壁”材料的問題。
“‘磁籠’要把高溫等離子體給約束住，但總有部分高能粒子在邊緣跑出來，不可能完全約束住，這樣它會和‘第一壁’發生強烈的相互作用，可以想象上億攝氏度高溫的粒子打到‘第一壁’上，會使得材料燒蝕。”龔先祖說，這是到目前為止人類研制的工作環境最嚴苛的材料。現在我國托卡馬克裝置高熱輻射區用的是有自主知識產權的碳化硅涂層石墨材料，但碳材料有個缺點，它會被中子活化。未來聚變反應堆第一壁的候選材料是金屬鎢，現在國內兩個專業聚變研究所正和高校一起測試未來新材料。
“未來聚變電站的長時間運行，只有在全超導托卡馬克上才能實現，這是驗證工程可行性所必須的，也是未來磁約束聚變的發展方向。我國在這個方向上已經進入國際前沿。”萬元熙說。
世界上第一個全超導托卡馬克裝置就是我國的EAST，它是先進超導托卡馬克實驗裝置的英文縮寫，它還有個響亮而又深具寓意的中文名字“東方超環”。
建成商用的聚變反應堆為時尚早。據了解，上世紀90年代，科學家估計要50年；現在20年過去了，科學家的估計還是要50年。“我最大的愿望就是在我有生之年能夠看到一個燈泡是用聚變能點亮的。”中科院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所所長李建剛感慨道。
科學島
“桃花源”里“追夢人”
中科院合肥物質科學研究院位于合肥市西郊風景秀麗的蜀山湖畔一個小島——科學島上，在這個仿佛與世隔絕的“桃花源”里，有一群為了理想不懈努力的“追夢人”。
“人造太陽”圓夢之路艱辛而漫長，沒有耐得住寂寞、甘于奉獻的強大內心，又怎能做出如此成就！
為了研制東方超環（EAST）超導托卡馬克大科學裝置，全所上下夜以繼日地做實驗。所有人24小時開機，隨時處于待命狀態；加班成了家常便飯，甚至經常半夜里被叫醒。很多人一做起實驗來幾乎分不清白天黑夜，吃住都在實驗室里。中科院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所研究員龔先祖笑稱自己有個最大的本事—說睡就睡，躺在會議室沙發上，用軍大衣一蓋就能睡著，但只要實驗的喇叭一叫馬上就醒。
“東方超環”是個極其“燒錢”的項目，一天的電費就高達5萬元，加上各種開支一天成本高達10萬元，每年需要約3600萬元的運行費。即便如此，相對于這么浩大的工程，經費還是十分有限。裝置中有一個用來隔離真空和空氣、進行高功率微波傳輸的小部件微波窗，看上去很不起眼，但對陶瓷片和金屬的封接工藝要求十分嚴格，國內沒有，從國外進口每個要2.5萬美元，一次就要用48個，它又是易損件，壞了再進口十分耽誤時間。等離子體物理研究所微波技術研究室研究員劉甫坤帶領年輕人王曉潔、劉亮、趙連敏，自行設計研制解決了該難題，每個成本降到2萬元，還可以根據需要隨時加工，為國家節約了數百萬元的科研經費。
中國工程院院士、EAST工程項目總經理萬元熙說，隨著國力的強盛和國家的開放，一批有才干的專業人才已經迅速成長起來，這對我國未來聚變研究至關重要。因為聚變研究不是一代人能夠實現的，“人造太陽”的夢想要幾代人連續不斷努力才能夠變為現實。
中國人的努力贏得了全世界的尊重，“東方超環”的成就被國際聚變界視為奇跡。萬元熙說，現在世界上最著名的研究所都主動積極地提出跟中國科學院等離子體物理研究所、跟中國磁約束聚變界進行廣泛的交流與合作。
“我們的優勢是國家重視和持續穩定的支持，我們的成績是科研人員敢于挑戰、勇于創新以及長期以來形成的大科學文化團隊共同努力的結果。”萬元熙對他所領導的這支團隊充滿自豪。(記者 杜銘)
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