前不久，中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯、美國7方30多個國家共同參與的國際熱核聚變實驗反應堆(ITER)計劃啟動主體安裝工作，標志著人類距離“人造太陽”夢想又近了一步。
我們知道，當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，核聚變反應是由兩個較輕的原子核(主要是氫的同位素)，聚合成較重的原子核，同時釋放能量的過程。太陽內(nèi)部無時無刻不在發(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，被認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計劃的目標就是驗證受控核聚變的科學與工程可行性。
核聚變反應原理雖然看上去很清晰，但要實現(xiàn)受控熱核聚變反應卻非常困難。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間(約束時間)。20世紀50年代，英國科學家提出了被稱為“勞森判據(jù)”的經(jīng)典公式，給出了核聚變點火條件：當核聚變?nèi)剂系臏囟取⒚芏群图s束時間三者的乘積大于一個特定值時，就可以發(fā)生核聚變反應。按照勞森判據(jù)和核聚變本身特點，氫的同位素——氘氚反應被證明是最易實現(xiàn)的核聚變反應，也是當前研究的重點。
ITER計劃的實施大體分三個階段。從2006年開始是第一階段建造期，目前計劃在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將進入裝置運行期，最后還有5年的去活化期，使反應材料冷卻到符合環(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、工程與科學方面的關鍵難題。
ITER項目耗時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;二是項目具有科學和工程雙重屬性，沒有成功案例可借鑒，工程決策難度大，大量的科學論證、工程驗證需要反復迭代進行;三是項目管理挑戰(zhàn)巨大，很多關鍵系統(tǒng)由多方參與采購制造，各方實力、規(guī)定差異較大，為項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、政治形勢變化也對ITER計劃的實施產(chǎn)生直接影響。
從ITER到受控核聚變商用階段，中間還需經(jīng)過示范堆的實驗。為彌補ITER和未來聚變電站之間的差距，我國聚變界提出建設中國聚變工程實驗堆，建議在本世紀中葉開展中國聚變示范原型電站的建設和聚變能商業(yè)開發(fā)。在ITER專項支持下，我國于2014年完成了中國聚變工程實驗堆的概念設計，目前正在開展詳細物理工程設計、關鍵技術(shù)預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，帶動廣泛，需要各國科學家和政府共同努力，不斷探索。(羅德隆)
(作者為中國國際核聚變能源計劃執(zhí)行中心主任)
關鍵詞： 人造太陽
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