12月4日,成都西南角,我國新一代可控核聚變研究裝置「中國環流器二號M裝置(HL-2M)」正式建成放電,標誌著我國正式跨入全球可控核聚變研究前列。而目前,世界上關於可控核聚變研究最著名的當屬國際熱核聚變實驗堆計劃(ITER),該計劃自2006年聯合籤署,涉及35個國家通力合作,預計將在2025年實現第一次等離子放電。就在全世界可控核聚變研究正如火如荼之時,中國已悄然發力,在該領域率先實現重大突破。
那麼什麼是可控核聚變,為什麼世界各國爭相參與研究?
可控核聚變依然屬於核聚變範疇,核聚變就是利用原子核聚變反應來產生能量,而可控核聚變,顧名思義,就是可以利用慣性約束或者磁約束等方式使之發生可控的、安全的核聚變反應。
對於大多數人來說,可控核聚變研究裝置這個專業術語聽起來可能很玄妙,但是說到它的俗稱,大家可能就會很豁然開朗,那就是「人造太陽」。而這一俗稱也暗示了可控核聚變的研究將與能源直接相關。事實上,核聚變能被認為是解決未來能源短缺問題的終極方案,它可以提供源源不絕的清潔能源。為什麼這麼說呢?
首先,可控核聚變使用的核燃料是氫的同位素氘和氚,而這兩種元素在地球上非常常見,且儲量豐富。其中氘可以從海水中提取,1升海水中提取的氘,在完全聚變反應中可以釋放相當於燃燒300升汽油的能量;而氚不同於氘,它帶有放射性且很難天然提取,但是好在科學家們發現鋰在被中子轟擊時可以產生氚,因此,現在的氚基本都是人工製造,但是因為鋰的存在,讓這一元素的獲取較為容易,且來源同樣富裕。
其次,可控核聚變反應不同於核裂變反應,不會產生核裂變反應所出現的長期和高水平核輻射,它的反應產物是氦、中子和可供開發利用的巨大能量,不會產生核廢料,同時也不會產生汙染環境的硫、氮氧化物,更不會釋放溫室效應氣體,是一種理想型且資源近乎無限的清潔能源。
最後,可控核聚變還有另一個固有的特點:安全。可能現在一提到核能,大多數人首先想到的會是車諾比核事故或者日本福島核事故,再或者會延伸到原子彈、氫彈等大規模殺傷性武器,潛意識中總是認為它是不安全的,具有恐核心理。但事實上,核聚變反應非常的安全,這主要是因為可控核聚變反應需要達到上億攝氏度的超高溫和超高密度等非常嚴苛的條件才有可能發生,任何一點細微條件的缺失,都會導致溫度密度的下降,從而迫使核聚變反應終止。
理論上核聚變能如果得以可控使用,確實可以徹底解決地球能源枯竭問題。但是,正如它那極其苛刻的發生條件一樣,要實現可控核聚變並非易事。
可控核聚變的發生要求在人工控制條件下的等離子體的離子溫度達到1億攝氏度以上,我們知道太陽的核心溫度也才1500萬攝氏度至2000萬攝氏度,而這一溫度已經超過了太陽核心溫度的5到6倍。對此,中核集團核工業西南物理研究院特聘研究員鍾武律說到,「地球上,目前沒有任何材料可以把1億攝氏度的高溫等離子體給直接包裹起來」。因此,要想實現人工控制難度可想而知。
但是,這個問題難不倒人類科學家們,早在50年前,兩種約束高溫反應體的理論就已經產生了,一種是慣性約束;另一種是磁力約束。
慣性約束理論的奠基人之一是我國著名科學家王淦昌,他於1964年在國際上獨立提出雷射驅動核聚變的建議。提出用雷射或者離子束作為驅動源,脈衝式提供高強度能量作用於裝有核聚變燃料的球體,形成高溫高壓的等離子體,利用反衝壓力,急劇向心壓縮氘、氚燃料至極高密度,並形成高溫高密度熱斑,當溫度達到反應所需的點火溫度時,球內燃料發生爆炸,並產生大量熱能。
而磁力約束是由蘇聯科學家塔姆和薩哈羅夫於上世紀六十年代提出的,它的設想是建立一個環形磁場包裹原子核,由於原子核帶正電,因此,只要磁場足夠強大,原子核就無法逃出磁場的束縛,達到用磁場約束高溫核聚變燃燒的目的,從而實現聚變反應的安全可控。要實現磁力約束,需要一個能產生足夠強的環形磁場裝置,而這一裝置的學名相信大部分人是耳熟能詳的,那就是「託卡馬克」裝置。
相比於慣性約束,目前世界上可控核聚變的研究主要集中在磁力約束領域。至於原因,有一種說法是兩者應用場合不同,慣性約束多用於軍事領域,而在能源研究方面磁力約束佔據優勢。不過這一說法筆者尚未進行查閱驗證,只是網絡見聞,可信性筆者也尚不清楚,大家了解了解就是,不必當真。
可控核聚變作為一種解決未來能源短缺問題的根本途徑,因此,不難想像為什麼如此多的國家爭先恐後地進入該研究領域。就在國際上各國對可控核聚變研究紛紛提速之際,我國的科學家們也並未停止他們攻堅克難的步伐。
1995年中國第一個超導託卡馬克裝置HT-7在合肥建成;
2002年中國建成第一個具有偏濾器位形的託卡馬克裝置--中國環流器二號A(HL-2A);2006年世界上第一個全超導託卡馬克裝置--中國東方超環(EAST)首次實現等離子放電成功;
2020年中國規模最大、參數最高的磁約束可控核聚變裝置--中國環流器二號M(HL-2M)成功實現等離子放電,其等離子體體積為中國現有裝置的2倍以上,等離子體溫度可達到1.5億攝氏度,等離子體電流能力提高到2.5兆安培以上,能夠實現高密度、高比壓、高自舉電流運行,是我國可控核聚變研究發展史上的重要裡程碑式突破。
多年的專研努力,中國實現了磁約束可控核聚變從無到有、從小到大、從弱到強的發展歷程,中國可控核聚變的實力正在得到更多的認可。