“四川智慧”破解世界最大科學(xué)合作工程核心部件

人造太陽有望2050年點(diǎn)亮你家燈泡

想象著有一天，當(dāng)?shù)厍蛸Y源面臨枯竭的時候，人類是否可以使用“人造太陽”來獲取能源？

一個集結(jié)了包括中國在內(nèi)的30多個國家的頂尖科學(xué)家，目前世界上最大的科學(xué)合作工程——國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃(簡稱“ITER”)正在有條不紊地進(jìn)行著。由于項(xiàng)目模擬自太陽內(nèi)部的核聚變原理，這個工程還有一個更加形象的名字：“人造太陽”。

視線轉(zhuǎn)移到成都，在雙流區(qū)黃荊路5號——核工業(yè)西南物理研究院，一個多達(dá)500人的團(tuán)隊(duì)正在為這個項(xiàng)目夜以繼日地忙碌著。

去年10月，由“四川團(tuán)隊(duì)”自主研發(fā)制造的國際熱核聚變核心部件“第一壁”，在國際上率先通過權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證。這是“四川智慧”對這個被譽(yù)為人類歷史上偉大事業(yè)之一的項(xiàng)目做出的重大貢獻(xiàn)。

10月20日，封面新聞-華西都市報(bào)記者走進(jìn)這個團(tuán)隊(duì)，深度探訪“人造太陽”項(xiàng)目背后的“四川力量”。

承擔(dān)著為了人類未來的百年甚至幾百年尋找新型清潔能源的使命，涉及30多個國家，世界上最大的科學(xué)合作工程——國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃(簡稱“ITER”)正在多個國家進(jìn)行著。ITER實(shí)驗(yàn)堆建在法國，建造預(yù)算約55億美元；技術(shù)方面，中國將承擔(dān)其中約9%的研發(fā)制造任務(wù)——由核工業(yè)西南物理研究院、中科院等離子體物理研究所等單位科學(xué)家具體承擔(dān)。其中，位于成都的核工業(yè)西南物理研究院承擔(dān)了其中約一半部件研發(fā)的重任。什么是“人造太陽”？它將如何解決人類能源的終極問題？請掃碼下載并登錄封面新聞APP，跟隨鏡頭，一同感受這項(xiàng)偉大的科學(xué)計(jì)劃背后的“四川力量”。

能量之大

攻關(guān)1億℃高溫 實(shí)現(xiàn)等離子體可控核聚變

萬物生長靠太陽。作為太陽系的主星，太陽內(nèi)部時刻不停地發(fā)生著核聚變反應(yīng)，為地球提供了源源不斷的光和熱。

怎樣才能實(shí)現(xiàn)“人造太陽”？科學(xué)家想了一個辦法，就是把一團(tuán)上億℃的等離子體火球，用磁場把它懸浮起來，跟周邊的任何容器材料不接觸。這時，就可以對它加熱、控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“受控的核聚變”，實(shí)現(xiàn)“人造太陽”。

等離子體天性“放蕩不羈”，更喜歡漂泊不定。如何讓其乖乖“受控”？在核工業(yè)西南物理研究院，有一個專門的裝置來盛放這一團(tuán)火球，它就是中國環(huán)流器二號A托卡馬克裝置。其主體呈甜甜圈狀，邊緣四周延伸出數(shù)十個“觸角”，形似一顆顆星星。裝置內(nèi)部，由無數(shù)根銅導(dǎo)體線圈產(chǎn)生一個封閉的磁場，用來約束分散等離子體的行為。

如果把試驗(yàn)裝置看成一個微波爐，核工業(yè)西南物理研究院研究員、高級工程師黃梅的工作就是不斷給這個裝置加溫。給微波爐加溫的方式有很多種，黃梅的方式是其中一種，叫“電子回旋波加熱”?！昂唵蔚恼f，就是通過微波注入等離子體，給微波爐添把火，讓內(nèi)部溫度不斷升高，從而讓食物更快熟透?！?/p>

目前，托卡馬克裝置的溫度已升至5500萬℃，這是迄今為止國內(nèi)裝置達(dá)到的最高溫度?！耙獙?shí)現(xiàn)受控核聚變反應(yīng)，必須達(dá)到上億℃以上高溫，以及足夠高的密度等，如果因某種原因?qū)е聴l件不能滿足，聚變反應(yīng)就會停止?！睂τ邳S梅來說，如何持續(xù)給裝置加溫，達(dá)到“點(diǎn)火”要求，是他們還將繼續(xù)面臨的一個課題。

40萬億噸氘 將解決人類能源問題

上百人的團(tuán)隊(duì)，圍坐在操作大廳里。對著面前兩塊超大屏幕，觀測著相關(guān)參數(shù)的變化，眼睛都不敢亂眨，生怕漏過任何蛛絲馬跡。

這種高度緊張的狀態(tài)，工作十年，鐘武律每年都要經(jīng)歷兩輪。通常是3月至5月的春季實(shí)驗(yàn)、11月到接近農(nóng)歷新年的冬季實(shí)驗(yàn)。每一次實(shí)驗(yàn)，內(nèi)部人員稱之為“一炮”。每次實(shí)驗(yàn)由于耗電量非常大，放炮時間通常1至2秒。

作為等離子體診斷的“專職醫(yī)生”，鐘武律通過每一次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)等離子在約束過程的變化。兩次放炮間隔很短，只有8分鐘。因此，他們必須在8分鐘內(nèi)，做出判斷并且調(diào)整相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。“離子體的變化是非?？斓?，達(dá)到微秒或者毫秒級別。”因此，在行業(yè)里有句話，做等離子的分析和物理實(shí)驗(yàn)，沒干夠5年，根本摸不著邊。類似鐘武律這樣的工作，還有更龐雜的分工。

如此繁復(fù)、浩瀚，為什么要啟動“人造太陽”計(jì)劃？在業(yè)內(nèi)人士看來，核能包含兩種方式：核裂變和核聚變。原子彈就是利用的核裂變的原理；氫彈、太陽則是核聚變的原理。人造太陽項(xiàng)目，也就是“受控?zé)岷司圩兡茉础?，由于其固有的安全性、無污染的優(yōu)越性、燃料資源豐富等特點(diǎn)，被認(rèn)為是人類最理想的潔凈能源。

核工業(yè)西南物理研究院聚變科學(xué)所副所長許敏進(jìn)一步解釋說，最容易實(shí)現(xiàn)的核聚變能源來自氫的同位素，氘和氚的劇烈反應(yīng)。一公升海水里提取出的氘，完全聚變反應(yīng)可釋放相當(dāng)于燃燒300升汽油的能量。科學(xué)家初步估計(jì)，地球上的海水中蘊(yùn)藏了大約40萬億噸氘。另一方面，它的環(huán)境可接受性比較好，因?yàn)榫圩兎磻?yīng)，產(chǎn)物是氦，其本身不具有放射性。在科學(xué)家們看來，核聚變一直以來被人們視為解決未來能源問題的希望。

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創(chuàng)新驅(qū)動經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型

到2020年科技進(jìn)步對四川經(jīng)濟(jì)增長貢獻(xiàn)率達(dá)60%

殲10、C919、翼龍無人機(jī)等大批舉世矚目的成就，都來自于“四川造”?！氨倍贰毙l(wèi)星移動通信系統(tǒng)、三代核電技術(shù)等一批重大關(guān)鍵共性技術(shù)取得突破，電子信息、航空航天、核技術(shù)等領(lǐng)跑全國。參與的國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃取得積極進(jìn)展，納米膜層制備、復(fù)合材料工藝集成等關(guān)鍵技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平……以創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，四川正全力打造經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新引擎，新動力。

今年初出臺的《四川省“十三五”科技創(chuàng)新規(guī)劃》提出，到2020年，我省科技實(shí)力和創(chuàng)新能力大幅躍升，全面創(chuàng)新改革試驗(yàn)取得重要階段成果，科技體制改革取得重大突破，大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新蓬勃開展，全省總體進(jìn)入創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展階段，創(chuàng)新型經(jīng)濟(jì)格局初步形成，加快建成國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展先行省和創(chuàng)新型四川。到“十三五”末，全社會研發(fā)經(jīng)費(fèi)支持占地區(qū)生產(chǎn)總值比例將達(dá)2.0%；規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)研發(fā)投入占主營業(yè)務(wù)收入比例提高到0.8%；每萬人發(fā)明專利擁有量7.5件；每萬名就業(yè)人員中R&D(研究與開發(fā))人員數(shù)達(dá)32人年/萬人；技術(shù)市場交易額達(dá)400億元；具備基本科學(xué)素養(yǎng)的公民比例達(dá)8%；高新技術(shù)企業(yè)達(dá)5000家，高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值規(guī)模超2萬億元，其中工業(yè)總產(chǎn)值占規(guī)上工業(yè)總產(chǎn)值比重超30%；科技進(jìn)步對經(jīng)濟(jì)增長貢獻(xiàn)率達(dá)60%。

什么是人造太陽？

把一團(tuán)上億℃高溫的等離子體火球，用磁場懸浮起來，跟周邊的任何容器材料不接觸。再對它加熱、控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“受控的核聚變”，從而實(shí)現(xiàn)“人造太陽”。

核工業(yè)西南物理研究院聚變科學(xué)所副所長許敏：

研究“人造太陽”的過程中，會產(chǎn)生大量的前沿尖端技術(shù)，期待燈泡被核聚變點(diǎn)亮。

“人造太陽”核心部件中方項(xiàng)目總工程師王平懷：

及時傳走熱量需要一種特殊的結(jié)構(gòu)，僅僅是攻克的兩種材料連接工藝，項(xiàng)目組提交了多達(dá)十幾項(xiàng)國家專利申請。

核工業(yè)西南物理研究院研究員、高級工程師黃梅：

等離子體天性“放蕩不羈”，中國環(huán)流器二號A托卡馬克裝置專門用來約束分散等離子體的行為。

等離子體診斷“專職醫(yī)生”鐘武律：

離子體的變化達(dá)到微秒或者毫秒級別，必須在實(shí)驗(yàn)間隔的8分鐘內(nèi)，做出判斷并且調(diào)整相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。

表情之變

冷靜、堅(jiān)毅，不茍言笑?！叭嗽焯枴焙诵牟考暗谝槐凇钡闹蟹巾?xiàng)目總工程師王平懷，有著一張標(biāo)準(zhǔn)的“科學(xué)臉”，亦或是“工科男”面孔。任何的外界喧囂，很難在他臉上驚起太大的波瀾。開口說話時，那種嚴(yán)謹(jǐn)?shù)綐O致的風(fēng)格，讓急于在談話中尋找爆點(diǎn)的傾聽者，忍不住抓狂。只有當(dāng)提到“第一壁”時，他的表情才會像解凍的春水，慢慢舒展，臉上流露出無法掩飾的喜悅，一圈圈地蕩漾開來。去年12月，由王平懷團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)制造的國際熱核聚變核心部件“第一壁”，在國際上率先通過權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證。讓中國落后于美國20年的技術(shù)，一躍從“跟跑”實(shí)現(xiàn)了“領(lǐng)跑”。