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终极能源何时变为现实?李建刚院士:10年内中国一定有一盏灯被核聚变点亮
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来源:上观新闻 作者:李建刚 2023-03-31 08:01
摘要:我们所有的技术都达到了现有人类技术的极限,这些极限技术共同作用,才有可能真正实现可控核聚变。

在电影《流浪地球2》中,推动地球远航的发动机靠的是可控核聚变。现实中,对于氢的可控核聚变研究,人类已经走过了半个多世纪的征程。利用磁约束实现可控核聚变的装置叫作托卡马克,被称为“人造太阳”。近日,合肥综合性国家科学中心能源研究院院长李建刚院士在“墨子沙龙”活动中,向中国科大附中的高中生们讲述了他心中的“太阳”。以下为演讲主要内容。


李建刚院士在“墨子沙龙”活动中

『核聚变是人类未来的终极能源』

人类的发展史一直伴随着能源的消耗。以中华民族5000年的文明史来说,前3000年以烧木材为主。而自从人类发现了煤以后,能源消耗快速增长。在过去的一两百年时间里,随着科技的飞速发展,能源消耗急剧增长,我们目前主要依赖化石能源,也就是石油、煤等。

如今的地球人口已经突破70亿。未来,人类需要继续发展,人口还会继续增加。如果想要保持较高的社会和经济发展水平,地球上现有的化石能源将会很快消耗殆尽。估计这个时间窗口是在100年至300年。那么,化石能源消耗完以后,我们去哪里寻找稳定的能量来源呢?

爱因斯坦是我最喜欢的物理学家,我最喜欢的一个公式就是爱因斯坦的质能方程——E=mc²,能量等于质量乘以光速的平方。它告诉我们,哪怕只有一点点的质量,通过原子核级别的反应,顷刻之间就能释放出巨大能量,这就是太阳燃烧的原理,也是浩瀚的星际间大部分恒星发光发热的原因。太阳发出的能量中有很小的一部分照射到地球上,而地球正是因为得到了这些能量,我们才有了现在幸福的生活。

说起核反应能,大家比较熟悉的是原子弹。原子弹是什么原理?核裂变原理,也就是一个大的原子核裂变为二的时候释放出巨大的能量。氢弹的原理则是利用氢的同位素(氘、氚)的核聚变反应释放出巨大的能量。虽然氢弹于1952年就试制成功,但是可控制的核聚变反应堆至今仍是科学技术上尚未解决的一大难题。

目前,世界上的460多座核电站都是利用原子弹的原理,也就是核裂变产生的能量发电。现在核电站用的原料——铀,仅需1克,就能产生相当于1.8吨石油燃烧产生的能量。如果用氘、氚的话,1克产生的能量相当于8吨的石油。正如爱因斯坦的质能方程描述的那样,哪怕1克的质量,乘以光速的平方,能量也非常巨大。

虽然核电站为全世界提供了大于10%的电力,但它仍然有两个缺陷:第一,地球上核电站的原料资源是有限的,不管是铀、钍还是钚,储量都不多,而且本质上它们也是化石燃料的一部分。第二,核裂变时产生的各种射线会对人体造成伤害,放射性物质会对周围环境造成污染。比如,三里岛事故、福冈事故以及切尔诺贝利核电站核泄漏事故,很大程度上都是人为事故。尽管总体来说核电站是安全的,如今这些事故的概率非常低——大约100万年才会发生一次,但这种概率始终是存在的。所以,目前的核电站都建在远离人群的地方。

相对而言,核聚变则具有固有的安全性。因为核聚变的原理,是把氢的同位素氘和氚加热到上亿摄氏度,它的产物是氦气和中子。中子携带能量,我们用水吸收中子,然后水就变成水蒸气,用来发电;氦气也是干净的,没有污染。所以,核聚变设施可以建在城市的中心位置,非常安全。

我们再来说说核聚变的另一个优势。1升海水可以提取0.03克的氘,其释放的能量高于340升汽油燃烧产生的能量,而全世界的海水中有大约40万亿吨氘,可以供我们人类使用100亿年。所以,核聚变的资源是无限的。

比较来看,一个100万千瓦的发电站,一年要烧200万吨的煤;而一个同样发电量的核裂变电站,一年需要30吨的铀;如果是核聚变电站,一年仅需消耗150千克的重水和锂。

所以,20世纪的时候,国际能源署就在探讨人类未来的终极能源是什么。3000个科学家经过3年时间的讨论,得出的结论是:人类的终极能源,80%来源于核聚变,再加上20%的可再生能源。这个结论的具体数值可能会有变化,但总的来说,人类未来的终极能源就是由核聚变和可再生能源构成的,核聚变将为人类提供绿色的、安全的、可以无限利用的能源。

『可控核聚变为什么这么难』

既然核聚变这么有优势,我们为什么不早点把它变成现实?

我从大学毕业就待在科学岛上,到现在已经40年了,我和很多优秀的科学家一起共同为实现可控核聚变而努力,但至今这项技术还没有完全成功。原因在于,要实现可控核聚变,必须跨越非常高的门槛,条件非常苛刻。

1958年,刚从牛津大学毕业的博士劳森用了两年的时间,给出了劳森判据——核聚变必须满足以下条件:粒子密度n、温度T、约束时间τE三者的乘积一定要大于10的21次方才能够实现点火。要具备这个条件,温度要达到上亿摄氏度,约束时间至少要大于1秒钟,另外要有足够多的粒子。

当时,人类能达到的最好成绩是10的11次方,理想和现实的巨大差距使劳森博士望而却步,但是,这并没有阻碍全世界其他科学家继续攻关。我们用了60年的时间,仍然在朝着这个目标努力。

最常见的聚变体就是太阳,因为它的质量特别大,靠万有引力就可以把所有的带电粒子约束住,约束时间远远长于1秒钟,所以它在2500万摄氏度就可以发生聚变。还有什么其他的约束办法呢?我们想到用磁场的办法约束带电粒子,也就是磁约束。当温度足够高的时候,电子飞离原子核,这就是等离子体。如果加上磁场,所有带电粒子都会围绕着磁力线运动。有了磁场,粒子就被约束住了,磁场越强,约束力就越强。

苏联人就此发明了“托卡马克”,也就是利用磁约束实现可控核聚变的装置。托卡马克就像一个圈,里面的磁场强度相当于地球磁场的1万倍,能让粒子在其中悬浮、旋转。因为核聚变需要上亿摄氏度的高温,不能用任何容器盛装,所以就用强磁场把它悬浮起来。

电影《流浪地球2》中,太阳即将氦闪,我们需要推着地球到另外一个星球去,用的就是1万个重核聚变发动机。在影片里,托卡马克核聚变能够拯救人类,拯救我们的地球。

现实中,我们国家很早以前就开始研究托卡马克。1958年,苏联科学家在一次国际大会上公布了托卡马克的原理之后,我国就在四川乐山建立了中国最大的磁约束聚变基地——中国核工业西南物理研究院。项目最早由李正武院士提出,潘垣院士作为当时的总工程师负责实施。今天,在距离乐山大佛2.6公里的中国核聚变博物馆中存放着很多老一辈科学家当时制作的实验装置,非常具有震撼力。

从1973年开始,中国科学院也同时开展了托卡马克的研究。1989年,苏联已经着手开发第二代托卡马克,有意把第一代装置T-7送给其他国家。时任中科院等离子体物理研究所所长的霍裕平院士就用400万元的生活物资,换来了当时价值1800万卢布的T-7。

我们用两年多时间把它拆解,改造成中国第一个超导托卡马克HT-7。在这个新装置上,我们实现了优于其他国家的实验成绩,而且还培养了一批包括我在内的科学家。当时,HT-7的磁约束突破了60秒,入选2003年“中国科学十大进展”。

但是,要真正实现可控核聚变,除了需要点火达到上亿摄氏度的高温,还需要长时间的维持。对于磁约束来说,要产生相当于地球磁场1万倍的磁场,这个过程需要消耗巨大能量。我们怎样能不让磁笼子消耗巨大能量呢?消耗功率等于电流乘以电阻,如果没有电阻,能量消耗就等于0。那么电阻怎样等于0?用超导。所以,我们开始筹划建造新一代全超导托卡马克核聚变实验装置——东方超环EAST。

『比登天还难的全超导托卡马克』

说起超导,所有的问题都变得既简单又复杂。

简单在哪里?消耗功率很少,意味着以后一点点能量就可以点火。难度又在哪里?首先,超导需要零下269℃的温度,而我们实现核聚变的温度是上亿摄氏度,怎么把这两个温度放在一起?其次,高能粒子束很容易把周边材料打坏,需要抗高温、抗高辐照的材料。再次,托卡马克对于误差有着极端的要求,哪怕0.1毫秒、0.1毫米的误差都会导致失败,所以需要先进的控制系统。而这一切,都要求长时间连续运行。

所以,全超导托卡马克核聚变的的确确比登天还难:需要产生一个上亿摄氏度高温的“甜甜圈”,还要把它放在一个零下269℃的低温容器中,再磁悬浮起来。我干了40年,我的老师万元熙院士干了60年,还没有完全成功,就是因为这件事挑战了人类科学和技术的极限。

当时,全世界还没有人做过这件事,所有的东西都要我们自己去设计和建造。比如,磁笼子怎么做?怎么加热?用什么方法点火?怎样控制真空?所有的技术都靠我们自己琢磨。其中,一个最关键的核心是超导磁体。


中国自主设计建造的全超导托卡马克核聚变实验装置——东方超环EAST    (新华社图)

2000年10月,项目正式开工。2006年9月26日,EAST成功获得等离子体,达到了500万摄氏度,持续时间大约不到1秒钟。

但是,这还远远不够。2022年,EAST创造了新的世界纪录,成功实现可重复的1.2亿摄氏度、100秒等离子体运行,当时的温度非常之高,比太阳中心还高6倍。然后,又实现了1056秒、7000万摄氏度的纪录。精度控制方面,大约在0.5个毫秒、0.5个毫米的尺度。

但是,我们还有很多难题要攻克。比如加热的问题。平时我们加热食物最快的办法是用微波炉,全世界最大的“微波炉”——总功率高达30兆瓦的微波驱动就在我们这里。还比如材料的问题,100秒、1000秒的长时间高温,材料很容易损坏,我们的材料承受的粒子轰击载荷比飞机发动机承受的还要高100倍。我们用过全不锈钢、全石墨、全合金钨等,用到了目前地球上最先进的材料,又要抗辐照,又要耐高温。我们所有的技术都达到了现有人类技术的极限,这些极限技术共同作用,才有可能真正实现可控核聚变。

目前,东方超环EAST里的所有装置,基本上做到百分百的国产化。在过去的几年里,我们实现了很多技术突破,特别是在长时间的维持方面,我们已经走到了全世界的前面,多次创造高约束等离子体稳态运行的世界纪录。EAST装置稳定运行15年,2次获得国家科技进步奖一等奖,4次入选“中国科学十大进展”。这些都鼓舞着我们继续努力往前走。

『可控核聚变是人类共同的事业』

托卡马克作为人类共同问题的解决方案,需要全世界科学家和工程师的共同合作与努力。

1985年,美、苏、欧、日共同启动了“国际热核聚变实验堆(ITER)”计划。该计划的目标是要建造一个可自持燃烧(即“点火”)的托卡马克核聚变实验堆,为人类输送巨大的清洁能量。2003年,我国决定加入ITER计划,宣布参加协商,至2006年正式签署合作协定。

在随后的十几年时间里,中国通过深度参与ITER计划获得了巨大的进步。我们充分吸收了国内外聚变堆设计的经验,掌握了实验堆的关键技术,更重要的是,初步建立了未来中国聚变工业的基础,一大批企业得到了迅速发展,自主创新能力得到了极大提高,完成了脱胎换骨的飞跃。比如,产生超导磁体所需的超导线,参加ITER计划前我们仅能生产36千克短样,现在我们可以生产大样,年产150吨。

除此之外,这些新技术已经广泛应用于国民经济的各个领域。比如,严重威胁人类健康的癌症,越早发现,治疗效果越好。用于癌症筛查的核磁共振,磁场越高,分辨率越高,看得越清楚。利用超导技术,现在市场上已经有了7特斯拉的核磁共振,未来还可以做到10特斯拉,能发现更小的癌变,有助于早期干预。在癌症治疗方面,为了更加精准地杀死癌细胞,可以使用加速器的精准束流,利用超导,还可以将加速器小型化,降低成本,让这种仪器大规模普及。

可控核聚变技术更重要的意义还在于,它真正能够体现我们人类是一个命运共同体。

从20世纪80年代开始,世界上所有研究核聚变的等离子体物理学家们始终联合在一起,合作和交流从来没有中断。现在,每年都有成百上千人次的美国科学家来中国开会、交流。2022年,美国的托卡马克分配了两个星期时间给我们中国科学家做实验,我们的设备也有三个星期给他们做实验。因为,可控核聚变的的确确是我们人类共同的难题。

人类需要和平,而和平的一个基本条件就是大家不用担心能源问题,可以吃得饱饭、用得起电。如果未来能源问题被解决了,世界将变得更加和平。善良和互助是根植于人类心中的文明内核,人类可以在解决能源危机的过程中互帮互助,这是文明发展的趋势。

碳达峰、碳中和是我们国家的重要目标,而核聚变是没有二氧化碳排放的。如果我们能够尽快实现核聚变,尽快开启核聚变工程示范和商业应用的进程,到21世纪末就可以建设1000座核聚变电站,提供85亿吨的二氧化碳减排。

核聚变商用化以后会非常便宜,因为一个核聚变电站一年仅用150千克重水,像合肥这样1000万人口的大城市,需要10座电站就够了,重水的成本仅为1500万元一吨,用电也可以“白菜价”。

我们人类对能源的需求从来没有像今天这么紧迫。现在往回看,前面60年是以基础研究为主,我们现在应该是到了一个转折点,从基础研究到工程研究,再到商业化,这个进程要加快。

5年前,在中央电视台的《开讲啦》节目中,我说我最大的梦想就是在我的有生之年能够在中国合肥看到核聚变点燃一盏灯。说这句话时,我以为这一辈子不一定能看得到,但是现在我觉得,新的时代、新的机遇为我们提供了一个绝佳的舞台,我相信我们可以在5年左右的时间内实现可控核聚变,用不到10年的时间,你们一定能看到有一盏灯在中国合肥被核聚变点亮。

栏目主编:龚丹韵 文字编辑:徐蓓 题图来源:新华社 资料图 图片编辑:项建英
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