论文部分内容阅读
ITER项目耗资将超过100亿美元，作为参与国，中国将承担10％的资金，它也是迄今为止，中国参与的最昂贵也最具挑战性的大科学工程国际合作项目
赴合肥旅游的游客，经常被当地朋友邀请到市郊的“科学岛”。这个面积不足3平方公里的小半岛，远离市区，三面环水，鸟语花香。但即使是当地市民也很少有人了解，这个岛上有个神奇的装置，它承载了一项关乎人类未来的重大科研项目——“人造太阳”。
“听到‘人造太阳’，你能想到什么?”央视《新闻会客厅》栏目记者，就此问题在街头随机采访，答案千奇百怪：灯泡、玩具、艺术品……坐在演播厅现场的中国科学院等离子体物理研究所研究员万元熙，对于人们这种“美丽的误会”报以理解的微笑。
“‘人造太阳’并不是像太阳一样悬挂在天空，而是建造在地球上的受控热核聚变反应堆或核聚变电站，它能像太阳一样通过核聚变反应释放能量，进而发电。”万元熙解释。
100年前，爱因斯坦预见到在原子核中蕴藏着巨大的能量。1939年，美国物理学家贝特证实，一个氘原子核和一个氚原子核碰撞，结合成一个氦原子核，并释放出一个中子和17.6兆电子伏特的能量。这个发现，揭示了太阳“燃烧”的奥秘。
科学家初步估计，地球上的海水中蕴藏了大约40万亿吨氘。而1升海水提取的氢的同位素氘，在完全的聚变反应中释放的能量，相当于燃烧300升汽油释放的热能。如果把自然界中的氘用于聚变反应，释放的能量足够人类使用100亿年。
于是，制造一个装置，通过受控热核聚变反应获得无穷尽的新能源，成为万元熙和全世界许多科学家的梦想。“这就相当于人类为自己制造一个或数个小太阳，源源不断从核聚变中得到能量。”
科技部长发出“英雄帖”
整整3年前，一群中外科学家汇聚于合肥“科学岛”。安静的实验大厅里，所有的人都紧盯着电脑屏幕。“真空”，“正常”；“低温”，“正常”……在一连串指令对话中，我国最新一代核聚变实验装置首次放电，成功获得电流超过500千安、时间近5秒的高温等离子体放电。
装置有个很拗口的名称：全超导托卡马克实验装置，英语简称EAST。使用这个装置，其外围大线圈和磁体会产生一个环形磁容器，在这个磁容器里面可以约束、加热聚变的燃料，使之发生聚变反应。
EAST的核心装置被安放在一栋封闭建筑物内。这是一个高12米、重400多吨的落地圆柱体大容器，这个“大锅炉”似的装置，被看作是“人造太阳”的原始雏形。
用来安置EAST的实验大厅于2001年开始建造，至全部竣工，共耗时5年。顶层和天花板之间，灌注了1米深的水。“水是用来防中子辐射的。”负责EAST装置“总控和数据采集”系统的专家、东华大学教授罗家融解释说。大厅下方，还有4米深的地下室。
2007年1月15日，EAST再次放电成功。该装置具有完整的自主知识产权，目前处于国际同类装置领先水平，为中国全面参与即将建设的国际热核聚变实验堆(ITER)计划创造了良好的条件。
由29位国际聚变界权威人士组成的国际顾问委员，在评价意见中指出：“EAST是全世界聚变工程的非凡业绩，是全世界聚变能开发的杰出成就和重要里程碑。”
早在1998年，我国就将研制全超导核聚变实验装置项目，列为“九五”期间6大科学工程之一。合肥的“科学岛”成为实验基地。
“听说我们要用2000万美元建造全超导核聚变装置，国外没有人相信，认为中国人只是嘴上说说而已。”等离子体研究所副所长武松涛曾在接受新华社记者采访时回忆。
当时，实验装置上的零部件大部分在国内没有生产。武松涛曾和同事去俄罗斯考察。想买几百个如同圆珠笔大小的重要部件。对方一个零件1400美元的报价，让他们瞠目结舌，最后决心自己动手做。
2006年，耗时8年、耗资2亿元人民币的世界第一座EAST装置，在中科院等离子所建成。时任科技部部长的徐冠华向世界各国科学家发出“英雄帖”：欢迎到科学岛来“做实验”。
“这个装置的研究成果，对即将建设的国际热核聚变试验堆ITER计划的工程技术，以及物理基础研究方面将有重大意义。”万元熙评价。
另一种材料来自月亮
石油、天然气储量告急，寻找替代能源十分急迫。
核能分裂变能和聚变能两种，上海交通大学核科学与系统工程系教授曹学武告诉《瞭望东方周刊》，未来占主导的能源将是核聚变能和太阳能。当前，上述两种技术远未成熟，而在对化石能源替代又很迫切的情况下，核裂变能是不可或缺的过渡。
但裂变需要的铀、钚等重金属元素储量有限，其放射性也具有致命的危险。在实验室中，聚变反应的优点被不断发现——它产生的能量是核裂变的7倍，反应产物是无放射性污染的氦。更完美的是，未来的聚变电站会始终处于次临界安全运行状态，一旦出现意外，反应会自动停止，不会发生像三哩岛和切尔诺贝利那样的核泄漏事故。
成本低同样是核聚变的优势：1公斤浓缩铀的成本约为1.2万美元，而1公斤氘仅需300美元。
聚变的优势还在于效率。科学家们一致看好使用氦3，声称全世界眼下一年所消耗的电力，只需100吨氦3就能解决。哪里能找到氦3?答案是月亮。那里的土壤含有多达100万吨的核聚变燃料。
“人造太阳”项目一旦实现商用化，人类将不必再担心能源问题。
7方联手为人类寻找洁净能源
上个世纪50年代初，美国和苏联率先开始秘密研究可控核聚变，然而随着研究的深入，理论和技术上遭遇重重障碍。自此，各国认识到，只有开展广泛的国际合作，才是加速实现核聚变能利用的唯一可行之路。热核聚变技术是冷战时期各国仍旧保持互通有无的特例。
科学家们希望，能够创造一个类似于太阳环境的装置，但其困难程度远远超出预想。如果让氘和氚发生聚变反应，环境温度必须达到1亿摄氏度以上。在这样的高温下，要把氘氚气体约束在一起，什么材料能做成容器?
1969年，苏联科学家提出了“托卡马克”的概念。就是利用环形封闭磁场组成的“磁笼”，把那些灼热的处于等离子状态的燃料约束起来——这成为“人造太阳”工程的主体。
2006年11月，来自欧盟、美国、中国、日本、印度、俄罗斯和韩国的7方代表在法国巴黎举行的国际热核聚变实验反应堆计划(简称“ITER”)的会议上，正式签署了联合实验协定，“人造太阳”计划正式启动。占世界人口一半左右的7方，联合为全人类寻找新的洁净能源，其意义不亚于人类基因工程和建造国际空间站。
ITER项目耗资将超过100亿美元，作为参与国，中国将承担10％的资金，它也是迄今为止，中国参与的最昂贵也最具挑战性的大科学工程国际合作项目。
“ITER”在拉丁文中意为“道路”，它并非坦途，而是布满荆棘。
人们本来设想，有了“磁笼”(托卡马克)，只需把氘、氚放入炉内加火烤制，把握好“火候”，能量就应该流出来。其实不然。人们接着遇到的麻烦是，在加热等离子体的过程中能量耗散严重，温度越高，耗散越大。一方面，高温下粒子的碰撞使等离子体的粒子一步一步地横越磁力线，携带能量逃逸；另一方面，高温下的电磁辐射也要带走能量。这样，要想把氘、氚等离子体加热到所需的温度，不是件容易的事。
2008年开始，ITER计划进入正式实施阶段，实验堆在法国卡达拉合动工建造。计划预计持续35年，前10年用于建设反应堆；后20年用于操作实验；最后5年是将实验的反应堆活化、拆除。
“和现在的EAST相比，ITER装置要大5倍。”罗家融说。
“ITER一旦建成，就表明人类向核聚变发电迈进了很好的一步。”曹学武告诉本刊记者，无论是EAST，还是即将动工的ITER装置，它们都只是实验堆，离真正的商业运行还很遥远。在投入商业运行之前，还需要经过实验堆、预研堆、商业堆三个阶段。每个阶段的研究，都需要漫长的研究攻关。
到2019年的未来十年中，中国将在“科学岛”EAST装置上进行前期研究开发，为ITER装置的运行和开发做好相关准备。来自中国的各类部件，将根据需求不断运往法国卡达拉合，为人类的又一次能源革命奠定基础。
赴合肥旅游的游客，经常被当地朋友邀请到市郊的“科学岛”。这个面积不足3平方公里的小半岛，远离市区，三面环水，鸟语花香。但即使是当地市民也很少有人了解，这个岛上有个神奇的装置，它承载了一项关乎人类未来的重大科研项目——“人造太阳”。
“听到‘人造太阳’，你能想到什么?”央视《新闻会客厅》栏目记者，就此问题在街头随机采访，答案千奇百怪：灯泡、玩具、艺术品……坐在演播厅现场的中国科学院等离子体物理研究所研究员万元熙，对于人们这种“美丽的误会”报以理解的微笑。
“‘人造太阳’并不是像太阳一样悬挂在天空，而是建造在地球上的受控热核聚变反应堆或核聚变电站，它能像太阳一样通过核聚变反应释放能量，进而发电。”万元熙解释。
100年前，爱因斯坦预见到在原子核中蕴藏着巨大的能量。1939年，美国物理学家贝特证实，一个氘原子核和一个氚原子核碰撞，结合成一个氦原子核，并释放出一个中子和17.6兆电子伏特的能量。这个发现，揭示了太阳“燃烧”的奥秘。
科学家初步估计，地球上的海水中蕴藏了大约40万亿吨氘。而1升海水提取的氢的同位素氘，在完全的聚变反应中释放的能量，相当于燃烧300升汽油释放的热能。如果把自然界中的氘用于聚变反应，释放的能量足够人类使用100亿年。
于是，制造一个装置，通过受控热核聚变反应获得无穷尽的新能源，成为万元熙和全世界许多科学家的梦想。“这就相当于人类为自己制造一个或数个小太阳，源源不断从核聚变中得到能量。”
科技部长发出“英雄帖”
整整3年前，一群中外科学家汇聚于合肥“科学岛”。安静的实验大厅里，所有的人都紧盯着电脑屏幕。“真空”，“正常”；“低温”，“正常”……在一连串指令对话中，我国最新一代核聚变实验装置首次放电，成功获得电流超过500千安、时间近5秒的高温等离子体放电。
装置有个很拗口的名称：全超导托卡马克实验装置，英语简称EAST。使用这个装置，其外围大线圈和磁体会产生一个环形磁容器，在这个磁容器里面可以约束、加热聚变的燃料，使之发生聚变反应。
EAST的核心装置被安放在一栋封闭建筑物内。这是一个高12米、重400多吨的落地圆柱体大容器，这个“大锅炉”似的装置，被看作是“人造太阳”的原始雏形。
用来安置EAST的实验大厅于2001年开始建造，至全部竣工，共耗时5年。顶层和天花板之间，灌注了1米深的水。“水是用来防中子辐射的。”负责EAST装置“总控和数据采集”系统的专家、东华大学教授罗家融解释说。大厅下方，还有4米深的地下室。
2007年1月15日，EAST再次放电成功。该装置具有完整的自主知识产权，目前处于国际同类装置领先水平，为中国全面参与即将建设的国际热核聚变实验堆(ITER)计划创造了良好的条件。
由29位国际聚变界权威人士组成的国际顾问委员，在评价意见中指出：“EAST是全世界聚变工程的非凡业绩，是全世界聚变能开发的杰出成就和重要里程碑。”
早在1998年，我国就将研制全超导核聚变实验装置项目，列为“九五”期间6大科学工程之一。合肥的“科学岛”成为实验基地。
“听说我们要用2000万美元建造全超导核聚变装置，国外没有人相信，认为中国人只是嘴上说说而已。”等离子体研究所副所长武松涛曾在接受新华社记者采访时回忆。
当时，实验装置上的零部件大部分在国内没有生产。武松涛曾和同事去俄罗斯考察。想买几百个如同圆珠笔大小的重要部件。对方一个零件1400美元的报价，让他们瞠目结舌，最后决心自己动手做。
2006年，耗时8年、耗资2亿元人民币的世界第一座EAST装置，在中科院等离子所建成。时任科技部部长的徐冠华向世界各国科学家发出“英雄帖”：欢迎到科学岛来“做实验”。
“这个装置的研究成果，对即将建设的国际热核聚变试验堆ITER计划的工程技术，以及物理基础研究方面将有重大意义。”万元熙评价。
另一种材料来自月亮
石油、天然气储量告急，寻找替代能源十分急迫。
核能分裂变能和聚变能两种，上海交通大学核科学与系统工程系教授曹学武告诉《瞭望东方周刊》，未来占主导的能源将是核聚变能和太阳能。当前，上述两种技术远未成熟，而在对化石能源替代又很迫切的情况下，核裂变能是不可或缺的过渡。
但裂变需要的铀、钚等重金属元素储量有限，其放射性也具有致命的危险。在实验室中，聚变反应的优点被不断发现——它产生的能量是核裂变的7倍，反应产物是无放射性污染的氦。更完美的是，未来的聚变电站会始终处于次临界安全运行状态，一旦出现意外，反应会自动停止，不会发生像三哩岛和切尔诺贝利那样的核泄漏事故。
成本低同样是核聚变的优势：1公斤浓缩铀的成本约为1.2万美元，而1公斤氘仅需300美元。
聚变的优势还在于效率。科学家们一致看好使用氦3，声称全世界眼下一年所消耗的电力，只需100吨氦3就能解决。哪里能找到氦3?答案是月亮。那里的土壤含有多达100万吨的核聚变燃料。
“人造太阳”项目一旦实现商用化，人类将不必再担心能源问题。
7方联手为人类寻找洁净能源
上个世纪50年代初，美国和苏联率先开始秘密研究可控核聚变，然而随着研究的深入，理论和技术上遭遇重重障碍。自此，各国认识到，只有开展广泛的国际合作，才是加速实现核聚变能利用的唯一可行之路。热核聚变技术是冷战时期各国仍旧保持互通有无的特例。
科学家们希望，能够创造一个类似于太阳环境的装置，但其困难程度远远超出预想。如果让氘和氚发生聚变反应，环境温度必须达到1亿摄氏度以上。在这样的高温下，要把氘氚气体约束在一起，什么材料能做成容器?
1969年，苏联科学家提出了“托卡马克”的概念。就是利用环形封闭磁场组成的“磁笼”，把那些灼热的处于等离子状态的燃料约束起来——这成为“人造太阳”工程的主体。
2006年11月，来自欧盟、美国、中国、日本、印度、俄罗斯和韩国的7方代表在法国巴黎举行的国际热核聚变实验反应堆计划(简称“ITER”)的会议上，正式签署了联合实验协定，“人造太阳”计划正式启动。占世界人口一半左右的7方，联合为全人类寻找新的洁净能源，其意义不亚于人类基因工程和建造国际空间站。
ITER项目耗资将超过100亿美元，作为参与国，中国将承担10％的资金，它也是迄今为止，中国参与的最昂贵也最具挑战性的大科学工程国际合作项目。
“ITER”在拉丁文中意为“道路”，它并非坦途，而是布满荆棘。
人们本来设想，有了“磁笼”(托卡马克)，只需把氘、氚放入炉内加火烤制，把握好“火候”，能量就应该流出来。其实不然。人们接着遇到的麻烦是，在加热等离子体的过程中能量耗散严重，温度越高，耗散越大。一方面，高温下粒子的碰撞使等离子体的粒子一步一步地横越磁力线，携带能量逃逸；另一方面，高温下的电磁辐射也要带走能量。这样，要想把氘、氚等离子体加热到所需的温度，不是件容易的事。
2008年开始，ITER计划进入正式实施阶段，实验堆在法国卡达拉合动工建造。计划预计持续35年，前10年用于建设反应堆；后20年用于操作实验；最后5年是将实验的反应堆活化、拆除。
“和现在的EAST相比，ITER装置要大5倍。”罗家融说。
“ITER一旦建成，就表明人类向核聚变发电迈进了很好的一步。”曹学武告诉本刊记者，无论是EAST，还是即将动工的ITER装置，它们都只是实验堆，离真正的商业运行还很遥远。在投入商业运行之前，还需要经过实验堆、预研堆、商业堆三个阶段。每个阶段的研究，都需要漫长的研究攻关。
到2019年的未来十年中，中国将在“科学岛”EAST装置上进行前期研究开发，为ITER装置的运行和开发做好相关准备。来自中国的各类部件，将根据需求不断运往法国卡达拉合，为人类的又一次能源革命奠定基础。