前不久，中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯、美國7方30多個(gè)國家共同參與的國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆(ITER)計(jì)劃啟動(dòng)主體安裝工作，標(biāo)志著人類距離“人造太陽”夢想又近了一步。

我們知道，當(dāng)今原子能電站及原子彈的能量來自核裂變。與重原子核在中子打擊下分裂放出“裂變能”正好相反，核聚變反應(yīng)是由兩個(gè)較輕的原子核(主要是氫的同位素)，聚合成較重的原子核，同時(shí)釋放能量的過程。太陽內(nèi)部無時(shí)無刻不在發(fā)生著核聚變，這是大自然最普遍的能量來源。“聚變能”具有資源無限、環(huán)境友好、不產(chǎn)生高放射性物質(zhì)等特點(diǎn)，被認(rèn)為是最理想的潔凈能源之一。人類夢想在地球上制造聚變反應(yīng)堆，像太陽一樣為人類提供源源不斷的能源，俗稱“人造太陽”。ITER計(jì)劃的目標(biāo)就是驗(yàn)證受控核聚變的科學(xué)與工程可行性。

核聚變反應(yīng)原理雖然看上去很清晰，但要實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)卻非常困難。這需要上億攝氏度的高溫，一定的原子核密度和足夠長的控制原子核時(shí)間(約束時(shí)間)。20世紀(jì)50年代，英國科學(xué)家提出了被稱為“勞森判據(jù)”的經(jīng)典公式，給出了核聚變點(diǎn)火條件：當(dāng)核聚變?nèi)剂系臏囟?、密度和約束時(shí)間三者的乘積大于一個(gè)特定值時(shí)，就可以發(fā)生核聚變反應(yīng)。按照勞森判據(jù)和核聚變本身特點(diǎn)，氫的同位素——氘氚反應(yīng)被證明是最易實(shí)現(xiàn)的核聚變反應(yīng)，也是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。

ITER計(jì)劃的實(shí)施大體分三個(gè)階段。從2006年開始是第一階段建造期，目前計(jì)劃在2025年安裝調(diào)試完畢，可用來產(chǎn)生溫度、密度和約束時(shí)間符合核聚變條件的高溫等離子體(即電離了的“氣體”)。2025年—2037年，ITER將進(jìn)入裝置運(yùn)行期，最后還有5年的去活化期，使反應(yīng)材料冷卻到符合環(huán)境安全的程度。除了不用于發(fā)電，ITER將基本上驗(yàn)證或解決未來商用電站規(guī)模的受控核聚變發(fā)電所面臨的物理、工程與科學(xué)方面的關(guān)鍵難題。

ITER項(xiàng)目耗時(shí)較長的原因有四：一是工程建造難度高，這里有世界上最大的磁體、超高真空室、供電系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等;二是項(xiàng)目具有科學(xué)和工程雙重屬性，沒有成功案例可借鑒，工程決策難度大，大量的科學(xué)論證、工程驗(yàn)證需要反復(fù)迭代進(jìn)行;三是項(xiàng)目管理挑戰(zhàn)巨大，很多關(guān)鍵系統(tǒng)由多方參與采購制造，各方實(shí)力、規(guī)定差異較大，為項(xiàng)目的集成管理帶來了極大挑戰(zhàn);四是參與方多，多文化背景交融，部分成員方的國內(nèi)經(jīng)濟(jì)、政治形勢變化也對(duì)ITER計(jì)劃的實(shí)施產(chǎn)生直接影響。

從ITER到受控核聚變商用階段，中間還需經(jīng)過示范堆的實(shí)驗(yàn)。為彌補(bǔ)ITER和未來聚變電站之間的差距，我國聚變界提出建設(shè)中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆，建議在本世紀(jì)中葉開展中國聚變示范原型電站的建設(shè)和聚變能商業(yè)開發(fā)。在ITER專項(xiàng)支持下，我國于2014年完成了中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆的概念設(shè)計(jì)，目前正在開展詳細(xì)物理工程設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研和聚變堆材料研發(fā)等工作，這一過程也廣泛吸納了國際各方的參與合作。商用核聚變挑戰(zhàn)巨大，影響深遠(yuǎn)，帶動(dòng)廣泛，需要各國科學(xué)家和政府共同努力，不斷探索。

(作者為中國國際核聚變能源計(jì)劃執(zhí)行中心主任)

《 人民日?qǐng)?bào) 》( 2020年10月14日 17 版)

關(guān)鍵詞： 人造太陽