中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所所長(zhǎng)李建剛在EAST模型前介紹其工作原理。

　　“大家看著它像鍋爐，實(shí)際上它的工作原理像太陽(yáng)或氫彈。”李建剛幽默地說(shuō):“實(shí)驗(yàn)中，要將等離子體加熱到數(shù)千萬(wàn)攝氏度的高溫，怎么加熱？就是通過(guò)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(tái)‘微波爐’的功率高達(dá)16兆瓦，是家用微波爐的數(shù)萬(wàn)倍。”

　　等離子體所微波技術(shù)研究室劉甫坤研究員正在實(shí)驗(yàn)室介紹他的工作。記者杜 銘攝

　　實(shí)現(xiàn)可控制的核聚變反應(yīng)，打造一個(gè)“人造太陽(yáng)”是世人的期盼，因?yàn)檫@可以一勞永逸地解決人類面臨的能源短缺問(wèn)題。

　　令人興奮的是“人造太陽(yáng)”可望由夢(mèng)想逐步變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。日前，中國(guó)新一代“人造太陽(yáng)”實(shí)驗(yàn)裝置2012年度物理實(shí)驗(yàn)成功，創(chuàng)造了兩項(xiàng)世界紀(jì)錄。

　　“人造太陽(yáng)”

　　能源的終極夢(mèng)想

　　“人造太陽(yáng)”——這個(gè)人類對(duì)能源的終極夢(mèng)想，聽(tīng)起來(lái)太科幻了。

　　“人造太陽(yáng)”原理并不神秘。早在幾十年前，隨著核物理的重大發(fā)現(xiàn)，人類早已揭開(kāi)了太陽(yáng)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(shù)，核電的廣泛利用已深刻地影響了當(dāng)今世界的能源圖景。

　　遺憾的是核裂變技術(shù)發(fā)電雖然容易實(shí)現(xiàn)，但還存在諸多缺陷：放射性污染、核廢料的產(chǎn)生、用來(lái)產(chǎn)生核裂變的鈾235等重金屬元素在地球上儲(chǔ)量有限等，將在一定程度上制約核裂變能的發(fā)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(zhì)量核聚變產(chǎn)生的能量比核裂變大幾倍。它的原理和太陽(yáng)發(fā)光發(fā)熱的原理相同，巨大的能量來(lái)自氫元素的核聚變反應(yīng)。從海水中可以提煉出大量的氫和氫的同位素氘，它們通過(guò)聚變反應(yīng)能產(chǎn)生大量能量。

　　但50多年過(guò)去了，核聚變發(fā)電站距離我們?nèi)允诌b遠(yuǎn)。

　　“核聚變要比核裂變難得多。核裂變就好比將一團(tuán)棉絮輕輕一撕就能扯開(kāi)了，而核聚變像是在大風(fēng)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(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所研究員龔先祖說(shuō)。

　　托卡馬克

　　“磁籠”托起“太陽(yáng)”

　　“人造太陽(yáng)”前景無(wú)限美好，道路卻充滿曲折。

　　太陽(yáng)表面的溫度高達(dá)6000攝氏度，中心溫度更是高達(dá)1500萬(wàn)攝氏度。如此高溫，足以讓任何接近太陽(yáng)的物體瞬間變成氣體。要讓核聚變反應(yīng)在地球上發(fā)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(wàn)攝氏度高溫的燃料？

　　科學(xué)家的解決方案令人拍案叫絕：用一個(gè)“磁籠”把“人造太陽(yáng)”托在空中。“具體而言，就是用磁場(chǎng)形成的一個(gè)籠子，把高溫等離子體給約束住，不讓它跑出來(lái)。這個(gè)裝置叫托卡馬克。”龔先祖說(shuō)。

　　“人造太陽(yáng)”被約束在“磁籠”中運(yùn)動(dòng)，懸浮在空中，不和物體接觸，就不用擔(dān)心上億攝氏度的高溫熔化器皿了。磁約束聚變利用強(qiáng)磁場(chǎng)這一“磁容器”來(lái)約束高溫等離子體，并進(jìn)而將其加熱至上億攝氏度，從而維持連續(xù)的熱核反應(yīng)，并將其巨大的能量轉(zhuǎn)化為電能。

　　現(xiàn)在所有的托卡馬克都還只是聚變基礎(chǔ)研究的實(shí)驗(yàn)裝置，用來(lái)驗(yàn)證科學(xué)家的設(shè)想，研究將來(lái)建設(shè)反應(yīng)堆過(guò)程中會(huì)遇到的種種物理和工程技術(shù)問(wèn)題。“從目前來(lái)說(shuō)，我們要一步步做實(shí)驗(yàn)，研究其機(jī)理，發(fā)現(xiàn)很多物理現(xiàn)象和可能面臨的問(wèn)題，然后進(jìn)行升級(jí)改造。”龔先祖說(shuō)。

　　中國(guó)工程院院士、EAST工程項(xiàng)目總經(jīng)理萬(wàn)元熙介紹，未來(lái)聚變電站必須長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，目前國(guó)際上大部分托卡馬克只能運(yùn)行數(shù)秒鐘，只是在科學(xué)上驗(yàn)證了受控核聚變?cè)谠砩闲械猛?，但還不能驗(yàn)證工程可行性。長(zhǎng)時(shí)間維持和控制數(shù)千萬(wàn)攝氏度等離子體是個(gè)極大的難題，能否實(shí)現(xiàn)未來(lái)國(guó)際熱核試驗(yàn)堆ITER所需要的400秒運(yùn)行，目前科學(xué)家還沒(méi)有充足的把握，它涉及等離子體精確控制、全超導(dǎo)磁體安全運(yùn)行、有效加熱與驅(qū)動(dòng)、等離子體與材料強(qiáng)相互作用等復(fù)雜的科學(xué)技術(shù)問(wèn)題。

　　“東方超環(huán)”

　　發(fā)力大科學(xué)裝置

　　光有好的想法還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，難的是將想法變成現(xiàn)實(shí)。

　　托卡馬克裝置對(duì)人類的工程技術(shù)水平提出了極其嚴(yán)苛的要求。受控核聚變的關(guān)鍵技術(shù)中，面臨兩個(gè)重大課題：一是如何將聚變?nèi)剂霞訜岬綐O高溫并長(zhǎng)時(shí)間維持，二是“第一壁”材料的問(wèn)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(lái)，不可能完全約束住，這樣它會(huì)和‘第一壁’發(fā)生強(qiáng)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(huì)使得材料燒蝕。”龔先祖說(shuō)，這是到目前為止人類研制的工作環(huán)境最嚴(yán)苛的材料?，F(xiàn)在我國(guó)托卡馬克裝置高熱輻射區(qū)用的是有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的碳化硅涂層石墨材料，但碳材料有個(gè)缺點(diǎn)，它會(huì)被中子活化。未來(lái)聚變反應(yīng)堆第一壁的候選材料是金屬鎢，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)兩個(gè)專業(yè)聚變研究所正和高校一起測(cè)試未來(lái)新材料。

　　“未來(lái)聚變電站的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，只有在全超導(dǎo)托卡馬克上才能實(shí)現(xiàn)，這是驗(yàn)證工程可行性所必須的，也是未來(lái)磁約束聚變的發(fā)展方向。我國(guó)在這個(gè)方向上已經(jīng)進(jìn)入國(guó)際前沿。”萬(wàn)元熙說(shuō)。

　　世界上第一個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克裝置就是我國(guó)的EAST，它是先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置的英文縮寫，它還有個(gè)響亮而又深具寓意的中文名字“東方超環(huán)”。

　　建成商用的聚變反應(yīng)堆為時(shí)尚早。據(jù)了解，上世紀(jì)90年代，科學(xué)家估計(jì)要50年；現(xiàn)在20年過(guò)去了，科學(xué)家的估計(jì)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(gè)燈泡是用聚變能點(diǎn)亮的。”中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所所長(zhǎng)李建剛感慨道。

　科學(xué)島

　　“桃花源”里“追夢(mèng)人”

　　中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院位于合肥市西郊風(fēng)景秀麗的蜀山湖畔一個(gè)小島——科學(xué)島上，在這個(gè)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(mèng)人”。

　　“人造太陽(yáng)”圓夢(mèng)之路艱辛而漫長(zhǎng)，沒(méi)有耐得住寂寞、甘于奉獻(xiàn)的強(qiáng)大內(nèi)心，又怎能做出如此成就！

　　為了研制東方超環(huán)（EAST）超導(dǎo)托卡馬克大科學(xué)裝置，全所上下夜以繼日地做實(shí)驗(yàn)。所有人24小時(shí)開(kāi)機(jī)，隨時(shí)處于待命狀態(tài)；加班成了家常便飯，甚至經(jīng)常半夜里被叫醒。很多人一做起實(shí)驗(yàn)來(lái)幾乎分不清白天黑夜，吃住都在實(shí)驗(yàn)室里。中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所研究員龔先祖笑稱自己有個(gè)最大的本事—說(shuō)睡就睡，躺在會(huì)議室沙發(fā)上，用軍大衣一蓋就能睡著，但只要實(shí)驗(yàn)的喇叭一叫馬上就醒。

　　“東方超環(huán)”是個(gè)極其“燒錢”的項(xiàng)目，一天的電費(fèi)就高達(dá)5萬(wàn)元，加上各種開(kāi)支一天成本高達(dá)10萬(wàn)元，每年需要約3600萬(wàn)元的運(yùn)行費(fèi)。即便如此，相對(duì)于這么浩大的工程，經(jīng)費(fèi)還是十分有限。裝置中有一個(gè)用來(lái)隔離真空和空氣、進(jìn)行高功率微波傳輸?shù)男〔考⒉ù?，看上去很不起眼，但?duì)陶瓷片和金屬的封接工藝要求十分嚴(yán)格，國(guó)內(nèi)沒(méi)有，從國(guó)外進(jìn)口每個(gè)要2.5萬(wàn)美元，一次就要用48個(gè)，它又是易損件，壞了再進(jìn)口十分耽誤時(shí)間。等離子體物理研究所微波技術(shù)研究室研究員劉甫坤帶領(lǐng)年輕人王曉潔、劉亮、趙連敏，自行設(shè)計(jì)研制解決了該難題，每個(gè)成本降到2萬(wàn)元，還可以根據(jù)需要隨時(shí)加工，為國(guó)家節(jié)約了數(shù)百萬(wàn)元的科研經(jīng)費(fèi)。

　　中國(guó)工程院院士、EAST工程項(xiàng)目總經(jīng)理萬(wàn)元熙說(shuō)，隨著國(guó)力的強(qiáng)盛和國(guó)家的開(kāi)放，一批有才干的專業(yè)人才已經(jīng)迅速成長(zhǎng)起來(lái)，這對(duì)我國(guó)未來(lái)聚變研究至關(guān)重要。因?yàn)榫圩冄芯坎皇且淮四軌驅(qū)崿F(xiàn)的，“人造太陽(yáng)”的夢(mèng)想要幾代人連續(xù)不斷努力才能夠變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

　　中國(guó)人的努力贏得了全世界的尊重，“東方超環(huán)”的成就被國(guó)際聚變界視為奇跡。萬(wàn)元熙說(shuō)，現(xiàn)在世界上最著名的研究所都主動(dòng)積極地提出跟中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所、跟中國(guó)磁約束聚變界進(jìn)行廣泛的交流與合作。

　　“我們的優(yōu)勢(shì)是國(guó)家重視和持續(xù)穩(wěn)定的支持，我們的成績(jī)是科研人員敢于挑戰(zhàn)、勇于創(chuàng)新以及長(zhǎng)期以來(lái)形成的大科學(xué)文化團(tuán)隊(duì)共同努力的結(jié)果。”萬(wàn)元熙對(duì)他所領(lǐng)導(dǎo)的這支團(tuán)隊(duì)充滿自豪。(記者 杜銘)