鐘武律：為何我們需要第二個(gè)太陽？“人造太陽”是如何發(fā)電的？

近日，我國核聚變發(fā)展取得重大突破。2020年12月4日14時(shí)02分，新一代“人造太陽”裝置——中國環(huán)流器二號M裝置(HL-2M)在成都建成并實(shí)現(xiàn)首次放電，為我國核聚變堆的自主設(shè)計(jì)與建造打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。那么，究竟什么是“人造太陽”?中國環(huán)流器二號M裝置實(shí)現(xiàn)了哪些技術(shù)突破和自主創(chuàng)新?中國之聲獨(dú)家專訪了中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院聚變科學(xué)所副所長鐘武律。

為什么我們還需要第二個(gè)太陽?

俗話說，萬物生長靠太陽，太陽的核心溫度大概在1500萬度～2000萬度，而地球上的金屬材料在1000度左右就會融化。鐘武律介紹，中國的“人造太陽”所要做的，就是在地球上建一個(gè)能夠承受住1億度、甚至超過2億度高溫的裝置。

鐘武律說：“太陽到目前為止估計(jì)已經(jīng)燃燒了大約50億年，太陽為什么能夠永不停歇的燃燒呢?是因?yàn)樗馁|(zhì)量非常大，它靠這種萬有引力可以很強(qiáng)有力的把這些聚變材料，也就是它外層的氫元素原子核不斷的往太陽芯部擠壓，實(shí)現(xiàn)一個(gè)非常高的溫度，非常高的密度，自然而然就發(fā)生核聚變反應(yīng)。”

鐘所長經(jīng)常遇到人問他，我們已經(jīng)有了一個(gè)太陽，為什么還要再造一個(gè)太陽呢?鐘所長解釋說：“這種裝置的原理是和太陽發(fā)光發(fā)熱的原理是類似的，就是核聚變的原理，所以它不是一個(gè)新的太陽，而是一個(gè)聚變裝置，或者我們說它是一個(gè)聚變堆，其實(shí)我們最終的目的就是要利用它來實(shí)現(xiàn)核聚變，并且釋放能量，用來發(fā)電。”

核聚變實(shí)際上是整個(gè)宇宙的能源，建造“人造太陽”也是為了通過核聚變反應(yīng)持續(xù)穩(wěn)定地輸出能量，最終解決人類的能源問題，從而造福人類。由于核聚變的原理和太陽發(fā)光發(fā)熱的原理很相似，所以，這些以探索聚變清潔能源為目的的裝置被人們稱為“人造太陽”。

“人造太陽”是如何發(fā)電的?

目前，東方超環(huán)(EAST)、中國環(huán)流器二號A(HL-2A)、M(HL-2M)都屬于“人造太陽”實(shí)驗(yàn)裝置。鐘武律介紹，此次建成的中國環(huán)流器二號M裝置(HL-2M)是我國新一代先進(jìn)磁約束核聚變實(shí)驗(yàn)研究裝置。他說：“這個(gè)裝置它是我國自主設(shè)計(jì)建造，采用了先進(jìn)的結(jié)構(gòu)和控制方式，具有先進(jìn)的偏濾器位形的優(yōu)勢。它是我國目前規(guī)模最大，參數(shù)最高的先進(jìn)的托克馬克裝置，它的體積是目前國內(nèi)現(xiàn)有裝置的兩倍以上，等離子體的電流的能力可以提高到2.5個(gè)兆安培，等離子體離子的溫度可以達(dá)到1.5億度的樣子，也就是說太陽核心溫度的10倍。”

在HL-2M裝置建設(shè)過程中，核工業(yè)西南物理研究院聯(lián)合國內(nèi)多家研制單位，在裝置物理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、特殊材料研制、材料連接與關(guān)鍵部件研發(fā)、總裝集成等方面取得了多項(xiàng)突破，實(shí)現(xiàn)了可拆卸線圈結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了控制運(yùn)行水平，提升了裝置物理實(shí)驗(yàn)研究能力;攻克了高鎳合金雙曲面薄壁件大型真空容器模壓成型和焊接變形控制等關(guān)鍵技術(shù);掌握了具有國際先進(jìn)水平的異形銅合金厚板材制造成型工藝，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度膨脹螺栓組件的自主國產(chǎn)化;研制成功國際先進(jìn)水平的國內(nèi)首臺大型立軸脈沖發(fā)電機(jī)組。以HL-2M裝置建設(shè)為牽引，西物院掌握的特種材料、關(guān)鍵設(shè)備、極端條件精密制造等關(guān)鍵技術(shù)，已形成“同步輻射”效應(yīng)，在航空、航天、電子等前沿領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)新應(yīng)用。

我們能控制得住“人造太陽”嗎?

核聚變，又稱核融合，簡單說，就是兩個(gè)質(zhì)量較輕的原子核融合在一起形成一個(gè)重核的過程，它與核裂變原理相反。人類已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)不受控制的核聚變，如氫彈的爆炸。

鐘武律介紹，想利用核聚變能，就必須要讓核聚變變得可控，這就意味著必須要滿足三個(gè)非常苛刻的條件。“第一個(gè)條件它需要的溫度特別高，因?yàn)橹挥袦囟忍貏e高，它這個(gè)原子核才會具備足夠高的動能，也就是原子核的才會跑得更快。第二個(gè)條件等離子體的密度要足夠高，高的概念就是原子核之間碰撞發(fā)生聚合反應(yīng)的這種概率要提高。第三個(gè)就是要長時(shí)間地控制住這些原子核，就是將高溫高密度的核反應(yīng)條件維持足夠長的時(shí)間，這樣才能夠使核聚變發(fā)生，并且可以持續(xù)下去。”

然而在地球上，沒有任何材料可以把1億度高溫的等離子體給直接包裹起來。但是科學(xué)家想到了一個(gè)辦法——用強(qiáng)磁場的方式，把帶電粒子約束住。鐘所長回到核西物院的時(shí)候，正好趕上2A團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)攻克一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)——實(shí)現(xiàn)高約束模式運(yùn)行。經(jīng)過1萬多次的實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)終于在2009年于國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了高約束模運(yùn)行。

“人造太陽”離我們并不遙遠(yuǎn)

我國核能發(fā)展實(shí)施“熱堆-快堆-聚變堆”三步走戰(zhàn)略中，將聚變能作為解決能源問題的最終一步。

人類對于清潔能源的期待是沒有廢氣、沒有放射性廢物排放、資源豐富的一種能源。鐘武律介紹，核聚變能恰恰就是這樣一種能源。他說：“第一，核聚變的反應(yīng)燃料，我們說它的資源是非常豐富的，其中核聚變反應(yīng)的燃料氘它是可以從水里面提取的。第二個(gè)特點(diǎn)就是核聚變它的反應(yīng)是具有固有安全性的，它不存在所謂的不可控，不會存在所謂的爆炸。第三，因?yàn)楹司圩兎磻?yīng)它不會排放廢氣，不會有溫室氣體的產(chǎn)生，也不會產(chǎn)生長壽命的放射性產(chǎn)物。所以它是目前人類認(rèn)識到的最理想的能源。”

鐘所長總喜歡在自己分享研究成果的時(shí)候以一首歌來結(jié)尾，這就是大家耳熟能詳?shù)摹斗N太陽》，他說，研究核聚變能的這種感覺就像人類第一次看到自己點(diǎn)燃了篝火——發(fā)光發(fā)亮，充滿希望。當(dāng)下，從國際國內(nèi)核聚變研究發(fā)展的概況和現(xiàn)狀來看，業(yè)界普遍認(rèn)為，預(yù)計(jì)在本世紀(jì)中葉能夠?qū)崿F(xiàn)聚變能的商業(yè)應(yīng)用。

目前，國家原子能機(jī)構(gòu)正在研究布局一體化核聚變研究創(chuàng)新體系，打造國家級核聚變創(chuàng)新研究平臺、國內(nèi)外專家學(xué)者交流平臺、青年科學(xué)家成長平臺，全面促進(jìn)我國核聚變事業(yè)由并跑向領(lǐng)跑邁進(jìn)。(周堯)