“如果將來(lái)有一盞燈會(huì )被聚變能點(diǎn)亮，相信這盞燈一定、也必須是在中國！”
4月22日，#科幻作家走進(jìn)新國企#第二站來(lái)到中核集團。在核工業(yè)西南物理研究院，中國“人造太陽(yáng)”裝置首次對科幻、科普作家開(kāi)放。據介紹，這個(gè)裝置的最大意義在于提供核聚變研究平臺，助力開(kāi)發(fā)人類(lèi)的終極能源。為什么這么說(shuō)？一起聽(tīng)聽(tīng)科普作家的介紹。
屬于宇宙和未來(lái)的能源
能源是可以為人類(lèi)生產(chǎn)或生活提供所需的光、熱、動(dòng)力等任一形式能量的資源。作為人類(lèi)最偉大的發(fā)明之一和未來(lái)最理想的能源，核能在世界能源體系中扮演著(zhù)越來(lái)越重要的角色。
什么是核聚變？
核聚變，顧名思義，是利用原子核聚變反應產(chǎn)生能量。人類(lèi)最早發(fā)現的核聚變反應是太陽(yáng)內的核反應，它不斷地向外輻射能量，向地球輸送能源。因此，核聚變也被看作是宇宙的能源。它的好處也是顯而易見(jiàn)，比如安全性高，廢料處理成本低，原料容易獲得等等。
核聚變的燃料，氫的同位素氘在海水中儲量極為豐富，從一升海水中提出的氘，在完全的聚變反應中可釋放相當于燃燒300升汽油的能量。核聚變反應堆不會(huì )產(chǎn)生污染環(huán)境的硫、氮氧化物，更不會(huì )釋放溫室效應氣體，而且核聚變反應堆具有絕對的安全性?？梢哉f(shuō)它是一種無(wú)污染，無(wú)核廢料，資源近乎無(wú)限的理想能源。受控核聚變發(fā)電的實(shí)現將從根本上解決人類(lèi)的能源問(wèn)題。
這話(huà)說(shuō)起來(lái)容易，實(shí)踐起來(lái)談何容易，太陽(yáng)是一顆中等質(zhì)量的恒星，質(zhì)量相當于地球的N倍，其內部可以達到1500萬(wàn)度的高溫和N個(gè)大氣壓的高壓，所以能夠產(chǎn)生可持續的核反應。而氫彈，其爆炸機理干脆就是用原子彈當引信，利用原子彈核裂變反應產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)核原料產(chǎn)生聚變反應。
受控核聚變反可用慣性約束或者磁約束的方式使之發(fā)生可控的、安全的核聚變反應，從中獲得的熱量可以轉化為機械能，進(jìn)而轉化為電能，以替代目前廣為使用的化石能源。
五十年的魔咒？
由于受控核聚變裝置的基本物理原理與太陽(yáng)內部核反應的機理相仿，所以這種裝置被形象地稱(chēng)為“人造太陽(yáng)”。
作為一個(gè)科技愛(ài)好者，我聽(tīng)說(shuō)過(guò)“受控核聚變發(fā)電，永遠的50年后”的魔咒。這個(gè)魔咒說(shuō)的是，自20世紀50年代受控核聚變原理提出以來(lái)，每逢有媒體問(wèn)到相關(guān)專(zhuān)家何時(shí)才能實(shí)現發(fā)電時(shí)，專(zhuān)家總說(shuō)50年后，一個(gè)10年又一個(gè)10年過(guò)去了，直到20世紀末答案仍是這樣。
為何會(huì )出現受控核聚變發(fā)電“永遠的五十年后”魔咒？如何打破這個(gè)魔咒？
帶著(zhù)這個(gè)問(wèn)題，我請教了該研究院的院長(cháng)劉永。他誠懇地說(shuō)：
的確有這個(gè)問(wèn)題，受控核聚變太難了
現在各國已經(jīng)聯(lián)合起來(lái)進(jìn)行技術(shù)突破。2007年ITER組織成立。國際熱核聚變實(shí)驗堆（ITER）是目前全球規模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一，規模僅次于國際空間站的國際大科學(xué)工程計劃。ITER將是世界上第一個(gè)聚變實(shí)驗堆，是最終實(shí)現磁約束聚變能商業(yè)化必不可少的關(guān)鍵一步！
ITER是一個(gè)能產(chǎn)生大規模核聚變反應的超導托卡馬克，體積接近天壇祈年殿的尺寸，高30米，直徑28米，重達1萬(wàn)噸。它將用強磁場(chǎng)約束高溫等離子體，最終實(shí)現核聚變能量的穩定可控釋放，預計在本世界中葉實(shí)現核聚變能發(fā)電，從而造福人類(lèi)。
中國作為理事會(huì )“七方”成員之一，與歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國共同資助這一項目，承擔項目工程建設階段18個(gè)采購包的制造任務(wù)。
中國承擔的18個(gè)采購包，包括了磁體支撐、校正場(chǎng)線(xiàn)圈系統、磁體饋線(xiàn)系統、氣體注入系統、診斷系統等重要組成部分。按計劃，該項目所需的所有大型部件將于2021年到位。ITER總干事認為中國交付相關(guān)產(chǎn)品“按時(shí)保質(zhì)”，堪稱(chēng)合作各方的榜樣。
▲劉永院長(cháng)講解核聚變知識
劉永院長(cháng)介紹說(shuō)，研究過(guò)程中會(huì )遇到許多預想不到的困難，充滿(mǎn)不確定性，但挑戰與機遇并存。在遇到預想不到的困難的同時(shí)，往往也會(huì )出現預想不到的發(fā)現與進(jìn)展，這也是研究的樂(lè )趣所在，現在看來(lái)經(jīng)過(guò)全世界幾代研究者的不懈努力，看到受控核聚變發(fā)電的前景，
不會(huì )再用50年了，也許再用30年就可以實(shí)現了。
啥是托卡馬克？
從20世紀40年代末開(kāi)始，世界各科技強國就開(kāi)發(fā)了多種方式，研究核聚變等離子體的約束方法。在這個(gè)過(guò)程中，人們對實(shí)現可控核聚變難度的認識也逐步加深，1954年，蘇聯(lián)庫爾恰托夫原子能研究所發(fā)明了具有軸對稱(chēng)磁場(chǎng)位形的托卡馬克 （Tokamak）裝置。
托卡馬克是指環(huán)形磁約束受控核聚變實(shí)驗裝置，所以中文又稱(chēng)環(huán)流器，它是由一個(gè)環(huán)形封閉磁場(chǎng)組成的磁籠子，高溫高壓的等離子體就被約束在這個(gè)磁場(chǎng)構成的無(wú)形籠子里，這個(gè)磁籠的外形很像一個(gè)中空的救生圈，等離子體環(huán)中能產(chǎn)生一個(gè)很大的環(huán)電流。
從20世紀70年代開(kāi)始，托卡馬克這種途徑逐漸顯出其獨特的優(yōu)越性，并在80年代，成為受控核聚變研究的主流途徑。經(jīng)過(guò)近半個(gè)世紀的努力，托卡馬克已經(jīng)顯示出光明的前景，等離子體約束獲得明顯效果，溫度達到上億度。而產(chǎn)生核聚變能量的科學(xué)可行性已經(jīng)被證實(shí)了，但是相關(guān)的成果都是以短脈沖的形式產(chǎn)生的，與實(shí)際反應堆連續運行還有很大的距離，而且核聚變反應能否實(shí)現氚自持仍然需要實(shí)驗驗證，如果氚自持的難題一旦被攻克，那么我們離商業(yè)發(fā)電又進(jìn)了一大步。
我問(wèn)劉永的第二個(gè)問(wèn)題是，托卡馬克研究進(jìn)展這么慢，原因在于有可能它并不是最優(yōu)的受控核聚變裝置構型，也許現在各國都對托卡馬克產(chǎn)生了技術(shù)的路徑依賴(lài)，而真正適合受控核聚變的技術(shù)構型人類(lèi)還沒(méi)有探索出來(lái)。
對此，劉永回答說(shuō)，的確有這種可能，而且包括中國在內的研究核聚變的主要國家也的確都在分出一部分精力在研究其他構型的核聚變裝置。目前僅次于托卡馬克的裝置叫做仿星器。德國就用一半的核聚變研究經(jīng)費來(lái)研究仿星器構型，這是一種備選的技術(shù)方案。不過(guò)國際學(xué)術(shù)界公認的是，雖然托卡馬克進(jìn)展沒(méi)有那么快，但仍是目前最有希望成功的可控核聚變裝置。
追日的夸父——中核人
我國于上世紀90年代制定了“熱堆-快堆-聚變堆”三步走的核能發(fā)展戰略?！秶抑虚L(cháng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規劃綱要（2006-2020年）》，將磁約束核聚變列為先進(jìn)能源技術(shù)?！?ldquo;十三五”國家科技創(chuàng )新規劃》，將“磁約束核聚變能發(fā)展”列入了戰略性前瞻性重大科學(xué)問(wèn)題。
我國核聚變研究始于50年代，開(kāi)始是原理性和探索性研究。中核集團核工業(yè)西南物理研究院于1965年在四川建立，是我國最早的聚變研究專(zhuān)業(yè)院所。核西物院作為我國參與ITER計劃的主要技術(shù)支撐和研制任務(wù)主要承擔單位之一，承擔了我國ITER采購包任務(wù)中絕大部分涉核部件的研發(fā)與加工制造任務(wù)。
從70年代末到80年代初，我國開(kāi)始在托卡馬克型裝置上進(jìn)行了重點(diǎn)研究。于1984年在核工業(yè)西南物理研究院建成的中國環(huán)流器一號（HL-1）是我國自主設計建造的第一個(gè)聚變大科學(xué)工程裝置，標志著(zhù)我國受控核聚變研究進(jìn)入大規模物理實(shí)驗階段。
從控制室出來(lái)，穿過(guò)一個(gè)帶有螺旋形樓梯的小隔間，通過(guò)一道門(mén)，就是容納“中國環(huán)流器二號A(HL-2A)”的“車(chē)間”了。
看到這臺機器第一感覺(jué)是大，第二感覺(jué)是多，說(shuō)它大是因為它有兩層樓那么高，占地面積上百平方米。說(shuō)它多，是因為各種管路，線(xiàn)圈，電線(xiàn)，機柜圍繞在它周?chē)?，充滿(mǎn)了復雜的技術(shù)細節。而就是這臺機器，代表了人類(lèi)馴服太陽(yáng)力量的嘗試。
我早就看過(guò)環(huán)流器的圖片，也在電視上看過(guò)關(guān)于它的新聞，今天真正站到它面前，可以說(shuō)近在咫尺，一時(shí)卻無(wú)法體會(huì )它的意義，更無(wú)從理解它的原理。
從能源史的角度看，面對它，相當于我們面對猿人升起的第一堆火、工業(yè)革命初期的第一臺燃煤鍋爐、19世紀的第一口油井……這種類(lèi)比恐怕還不恰當，可能受控核聚變裝置的科技史意義要更為獨特。上述能源都是地質(zhì)年代以來(lái)貯存在地殼中的，被植物光合作用凝固的太陽(yáng)核聚變能。而環(huán)流器，則希望跨過(guò)那些中間環(huán)節，直奔主題。
給我們講解的小伙子是核西物院的博士生，我們可以把他和他的同事、老師看作是未來(lái)的夸父或者普羅米修斯——把恒星之火平安帶到地球的人。
普通人靠近“太陽(yáng)”是什么感受？
我想起赫魯曉夫在回憶錄里寫(xiě)到他第一次看到蘇聯(lián)運載火箭時(shí)的感受，“我們這些人像傻子一樣，這里看看，那里摸摸，差點(diǎn)就用舌頭去舔一舔火箭外殼的味道了”。
此時(shí)，我感覺(jué)自己比赫魯曉夫還要無(wú)助。
我只能碎片式地接受：有的裝置是探測核聚變釋放出中子的，有的是測量磁場(chǎng)的，有的是為核聚變供電的，有的是進(jìn)行磁場(chǎng)控制的。
畢竟受控核聚變不是一個(gè)獨立的專(zhuān)業(yè)，而是一個(gè)高度綜合的學(xué)科。搞激光的，有搞閥門(mén)的，有搞等離子體物理的，有搞材料的，電控的，計算機的，等等等等，太多了……沒(méi)有任何一個(gè)人能掌握關(guān)于它的所有知識。而這個(gè)研究院號稱(chēng)總師單位，是專(zhuān)門(mén)負責系統集成的。核聚變研究也是一個(gè)國家科技實(shí)力，工業(yè)實(shí)力的象征。沒(méi)有一定水平，是搞不了這個(gè)的。
我只能零星引用一些它的參數，供讀者了解中國環(huán)流器二號A(HL-2A)的規模。
首先它的產(chǎn)生的磁場(chǎng)比地磁場(chǎng)強1萬(wàn)倍。其次，它產(chǎn)生的等離子體威力有多強？他們曾經(jīng)做過(guò)等離子體導出實(shí)驗：直徑10厘米、厚兩厘米的銅圓盤(pán)，被等離子體擊中，不到一秒鐘就消失了。并不是被氣化了，而且是銅盤(pán)被等離子化了。
另外，上千萬(wàn)度乃至一億度的等離子體溫度是通過(guò)間接方法測量出來(lái)的。因為沒(méi)有儀器可以測量這樣的高溫。
普通的燃煤鍋爐運行一段時(shí)間后，需要熄火打掃爐膛，清除里面的廢渣。這臺燃燒核聚變燃料的“鍋爐”也是這樣?？蒲腥藛T會(huì )用輝光放電“打掃”真空室內部。
溫度那么高的等離子體在運行，所有物體固態(tài)物質(zhì)不是都被氣化了嗎？怎么還會(huì )有固體雜質(zhì)呢？其實(shí)等離子體的核心溫度有上千萬(wàn)度乃至上億度，但是邊緣溫度會(huì )被控制得很低，只有上千度。否則真空腔內壁也會(huì )被熔化。
目前內壁是碳材料，碳耐高溫，但活性炭也善于吸附雜質(zhì)，所以會(huì )有等離子體與內壁作用生成的雜質(zhì)附著(zhù)在上面，影響實(shí)驗精度，需要清除。要知道，一丁點(diǎn)雜質(zhì)就會(huì )產(chǎn)生雪崩效應，使得等離子體形態(tài)與運動(dòng)方式發(fā)生劇烈變化，結果就是高速粒子轟擊到內壁，破壞真空腔。
這么復雜的裝置，一定做過(guò)很多次核聚變實(shí)驗吧？
是的，聽(tīng)工作人員講解，從2003年至2019年，該裝置共放電33000次。但每次放電平均時(shí)長(cháng)只有兩秒鐘。所以，16年來(lái)實(shí)驗總時(shí)長(cháng)還不到24小時(shí)（86,400秒）。真正的發(fā)電廠(chǎng)可是要24小時(shí)不間斷運行的。
參觀(guān)時(shí)，該裝置自然沒(méi)有運行，所以我好奇地問(wèn)工作人員，裝置運行時(shí)的感官體驗是什么樣的？
他說(shuō)，從視覺(jué)上來(lái)看，只能用攝像頭對準真空腔上開(kāi)的玻璃小窗口，從屏幕上看到里面的情況——紅色的火焰——并不感覺(jué)溫度有多高。
至于振動(dòng)？并沒(méi)有。但由于實(shí)驗時(shí)磁場(chǎng)啟動(dòng)，而且等離子體高速運行時(shí)也會(huì )產(chǎn)生電磁場(chǎng)，所以這些金屬設備里面會(huì )產(chǎn)生渦電流，被這些磁場(chǎng)吸引，金屬會(huì )產(chǎn)生巨大的扭力，但這些力肉眼是看不到的。因此核聚變裝置對于材料學(xué)的要求是非常高的。
至于聽(tīng)覺(jué)嘛，根本聽(tīng)不到任何聲音。因為等離子體的密度實(shí)在太低了，無(wú)法傳遞人耳可辨別的聲音。
所以讓我們設想一下這個(gè)裝置啟動(dòng)時(shí)的樣子：
只有一個(gè)小窗透出微弱的閃動(dòng)的紅色火光，四周靜悄悄的，只有電機的聲音和一些電氣設備風(fēng)扇的嗡嗡聲。但你若懂它的工作原理，你會(huì )知道所有的金屬都在絞著(zhù)勁兒，緊繃著(zhù)，抵抗著(zhù)巨大的磁力。正是這磁力約束著(zhù)高溫的、產(chǎn)生核聚變反應的等離子體。
把天火永遠留在大地上
我們只在這里停留半天，匆匆過(guò)客。
這個(gè)環(huán)境里蘊含的信息量太大，普通人腦是無(wú)法在這么短時(shí)間記住這么多東西的。人的思維和體力都有極限。余生也有涯，而知也無(wú)涯。但正是這種存在極限的人聯(lián)合起來(lái)，可以完成這樣巨大的科學(xué)工程，其復雜程度超出了任何人類(lèi)個(gè)體的認識能力。
研究院的科研人員從博士畢業(yè)算起，至少要在這里工作三十年，還不一定看到可控核聚變商用發(fā)電成功的結果。在中國環(huán)流器二號A(HL-2A)面前，我們是小過(guò)客，他們是大過(guò)客。在已經(jīng)靠核聚變燃燒了五十億年的太陽(yáng)面前，人類(lèi)更是匆匆過(guò)客。
但人類(lèi)可以代代接力，“子子孫孫無(wú)窮匱也”，把天火永遠留在大地上。
研究院的那些老員工也的確是這樣想，也是這樣做的。他們相信，這是一項對全人類(lèi)都有益的事業(yè)，而且科學(xué)研究的過(guò)程不斷有新的發(fā)現，充滿(mǎn)樂(lè )趣。他們甘愿把自己的韶華拋灑在這個(gè)貌似看不到成功曙光的崇高事業(yè)上。
而對于研究院的新生代而言，他們則對未來(lái)十分有信心，“如果將來(lái)有一盞燈會(huì )被聚變能點(diǎn)亮，相信這盞燈一定、也必須是在中國！”該院的特聘研究員鐘武律博士這樣說(shuō)道。
▲關(guān)于“人造太陽(yáng)”，聽(tīng)聽(tīng)科學(xué)家怎么說(shuō)。
自古以來(lái)，試圖靠近太陽(yáng)的人好像結局都不是很美妙：夸父逐日，最后饑渴而死；伊卡洛斯和代達羅斯飛向太陽(yáng)，用蠟粘合的翅膀卻被陽(yáng)光熔化，墜海而死。但他們的英名都永傳后世，成為人們追求希望、力圖掌控技術(shù)的象征。
奧斯特洛夫斯基有句名言：“一個(gè)人的一生應該這樣度過(guò)，當他回首往事的時(shí)候，不會(huì )因為碌碌無(wú)為而羞愧，也不會(huì )因為虛度光陰而悔恨，這樣，在臨死的時(shí)候，他能夠說(shuō)，我的整個(gè)生命和全部精力都已獻給世界上最壯麗的事業(yè)——為人類(lèi)的解放而斗爭。”
為人類(lèi)尋求永不枯竭的清潔、安全能源，不就是人類(lèi)的解放而斗爭嗎？這時(shí)我理解了，為什么那些老專(zhuān)家談到可控核聚變的研究事業(yè)是長(cháng)跑，是接力跑，而不是短跑。這需要一代又一代有志于此的人接力奮斗。
從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，雖然目前這些圍繞在人造太陽(yáng)周?chē)目茖W(xué)家仍默默無(wú)聞，有的還奉獻了全部青春，但是當人造太陽(yáng)實(shí)現應用的那一刻，他們的英名將永遠載入科技歷史的殿堂中，與夸父和代達羅斯并列。
最后，我還想到，這個(gè)裝置核能如何體現絲綢之路精神？?jì)H是這個(gè)研究院，每年都有100多人次赴美、日、歐進(jìn)行學(xué)術(shù)交流。該院的學(xué)術(shù)水平，已經(jīng)從在國際上跟跑、并跑，逐漸向領(lǐng)跑過(guò)渡，在某些方面已經(jīng)達到國際領(lǐng)先地位。顯然，沒(méi)有國際合作、單靠一個(gè)國家單打獨斗，形不成合力，受控核聚變發(fā)電的實(shí)現還要推遲很多年。只有秉承“開(kāi)放包容、互學(xué)互鑒”的絲路精神，這一天才能早日到來(lái)。
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4月22日，由中央網(wǎng)信辦網(wǎng)評局、國務(wù)院國資委宣傳局指導，國務(wù)院國資委新聞中心聯(lián)合環(huán)球網(wǎng)、果殼、未來(lái)事務(wù)管理局、新浪微博共同發(fā)起的 “科幻作家走進(jìn)新國企”第二站——“人造太陽(yáng)”主題活動(dòng)在中核集團核工業(yè)西南物理研究院正式啟動(dòng)。
3天的行程， 11位科幻科普作家走進(jìn)中核集團，深入兩個(gè)中國核工業(yè)重量級院所、兩個(gè)從未開(kāi)放過(guò)的神秘基地，進(jìn)行調研采風(fēng)，近距離感受現實(shí)版“人造太陽(yáng)”的聚變力量，切身體會(huì )“華龍一號”鏈式裂變力量是如何造福人類(lèi)，真正理解鋼鐵俠的心臟是如何源源不斷的提供能量，親身感受大國重器的工業(yè)化力量與美感。
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而對于研究院的新生代而言，他們則對未來(lái)十分有信心，“如果將來(lái)有一盞燈會(huì )被聚變能點(diǎn)亮，相信這盞燈一定、也必須是在中國！”該院的特聘研究員鐘武律博士這樣說(shuō)道。
(責任編輯：張云文)
