人造太阳“中国环流器2号”参观记
4月22日，世界地球日。在这个特别的日子，我受邀来到位于成都的中核集团西南物理研究院，参观著名的“中国环流器2号”。据说这个装置的最大意义就是可以保护地球。为什么这么说？容我慢慢道来。
核聚变，顾名思义，就是要利用原子核聚变反应产生的能量。人类最早发现的核聚变反应是太阳内的核反应。最著名的人工核聚变反应就是氢弹爆炸。而这个研究院科研人员的目标，是把来自太阳的能量和蕴藏在氢弹中的巨大能量，缓慢、安全地释放出来。 这话说起来容易，实践起来谈何容易，太阳是一颗中等质量的恒星，质量相当于地球的N倍，其内部可以达到1500万度的高温和N个大气压的高压，所以能够产生可持续的核反应。而氢弹，其爆炸机理干脆就是用原子弹当引信利用原子弹核裂变反应产生的高温高压引发核原料产生聚变反应。 受控核聚变反应则是用惯性或者是磁约束的方式将核聚变材料聚合在一起，使之发生人类可以控制的、安全的、缓慢的核反应。并且，从中获得的热量可以转化为机械能，进而转化为电能。以替代目前广为使用的化石能源。 由于受控核聚变装置的基本物理原理与太阳内部核反应的机理相仿，所以这种装置被形象地称为“人造太阳”。 作为科普作家与科普展览策展人，我受国资委新闻中心邀请，考察高科技国企，看看哪些技术可转化为科技馆展览展品。 核能、核动力与人类未来，是我此行考察的重点。海报中间那个人是我。 我正在策划着一个以丝绸之路主题的科普展览，也希望在这些高科技企业中获得灵感。 作为一个科技爱好者，我当然听说过“受控核聚变发电，永远的50年后”的魔咒。这个魔咒说的是，自20世纪50年代受控核聚变原理提出以来，每逢有媒体问到相关专家何时才能实现发电时，专家总说50年后，一个10年又一个10年过去了，直到20世纪末答案仍是这样。 为何会出现受控核聚变发电“永远的五十年后”魔咒？如何打破这个魔咒？ 带着这个问题，我请教了研究院的刘院长。他诚恳地说，的确有这个问题，受控核聚变太难了。 研究过程中遇到会遇到许多预想不到的困难，充满不确定性，但挑战与机遇并存。在遇到预想不到的困难的同时，往往也会出现预想不到的发现与进展，这也是研究的乐趣所在，现在看来经过全世界几代研究者的不懈努力，看到受控核聚变发电的前景，不会再用50年了，也许再用30年就可以实现了。现在各国已经联合起来进行技术突破——2006年，中国，欧盟，印度，日本，韩国，俄罗斯和美国七方，正式联合实施国际热核聚变实验堆（ITER）计划，该计划是世界上仅次于国际空间站的又一个大科学工程。ITER托卡马克装置的体积接近天坛祈年殿的尺寸，高30米，直径28米，重达1万吨。 核聚变这么难，但是它的好处也是显而易见的，比如安全性高，废料处理，成本低，原料容易获得等等。核聚变的燃料，氢的同位素氘在海水中储量极为丰富，从一升海水中提出的氘，在完全的聚变反应中可释放相当于燃烧300升汽油的能量。氘氚反应的产物没有放射性。核聚变反应堆也不会产生污染环境的硫、氮氧化物，更不会释放温室效应气体，而且核聚变反应堆只要停电，就自动停止运行。可以说它是一种无污染，无核废料，资源近乎无限的理想能源。受控核聚变发电的实现将从根本上解决人类的能源问题。 从20世纪40年代末开始，世界各科技强国就开发了多种方式，研究核聚变等离子体的约束方法，研究经费投入每年都超过10亿美元。在这个过程中，人们对实现可控核聚变难度的认识也逐步加深，从20世纪70年代开始，托卡马克这种途径逐渐显出其独特的优越性，并在80年代，成为受控核聚变研究的主流途径。 托卡马克是tokamak的俄文缩写，是指环形磁约束受控核聚变实验装置，所以中文又称环流器，它是由一个环形封闭磁场组成的磁笼子，高温高压的等离子体就被约束在这个磁场构成的无形笼子里，这个磁笼的外形很像一个中空的救生圈，等离子体环中能产生一个很大的环电流。经过近半个世纪的努力，托卡马克已经显示出光明的前景，等离子体约束获得明显效果，温度达到上亿度。而产生核聚变能量的科学可行性已经被证实了，但是相关的成果都是以短脉冲的形式产生的，与实际反应堆连续运行还有很大的距离，而且核聚变反应能否自持仍然需要实验验证，所谓自持就是它发出的能量，可以供应它自身运行所需的能量。 我问刘院长的第二个问题是，我看到有些文章写到，托卡马克研究进展这么慢，原因在于有可能它并不是最优的受控核聚变装置构型，也许现在各国都对托卡马克产生了技术的路径依赖，而真正适合受控核聚变的技术构型人类还没有探索出来。 对此，刘院长回答说，的确有这种可能，而且包括中国在内的研究核聚变的主要国家也的确都在分出一部分精力在研究其他构型的核聚变装置。目前仅次于托卡马克的装置叫做仿星器。德国就用一半的核聚变研究经费来研究仿星器构型，这种装置相当于托卡马克的升级版。不过国际学术界公认的是，虽然托卡马克进展没有那么快，但仍是目前最有希望成功的可控核聚变装置。 聊了这么多背景知识，终于到了期待已久的实地参观环节了。没想到核聚变装置及其控制室，与会议室在同一座大楼内。并不像有些科幻片所描述的那样，会藏在深深的地下或坚固的堡垒中。首先看到的是控制室，它与小型的航天发射场控制室没有太大区别。工作人员坐席面前都有一台电脑屏幕和鼠标键盘。再往前是一整面屏幕墙，中间可以播放核聚变装置的运行图像，两侧分屏可以显示各种数据参数。 从控制室出来，穿过一个带有螺旋形楼梯的小隔间，通过一道薄薄的木门，就是容纳“中国环流器2号”的“车间”了。 看到这台机器第一感觉是大，第二感觉是乱，说它大是因为它有两层楼那么高，占地面积上百平方米。说它乱，是因为各种管路，线圈，电线，机柜围绕在它周围，充满了复杂的技术细节。 就是这台机器，代表了人类驯服太阳力量的尝试。 研究院贴心地安排了熟知环流器原理的研究生和工作人员，充当“导游”，为我们讲解并现场回答问题。 但此时我的大脑是懵的。我早就看过环流器的图片，也在电视上看过关于它的新闻，今天真正站到它面前，可以说近在咫尺，一时却无法体会它的意义，更无从理解它的原理。 从能源史的角度看，面对它，相当于我们面对猿人升起的第一堆火、工业革命初期的第一台燃煤锅炉、19世纪的第一口油井……这种类比恐怕还不恰当，可能受控核聚变装置的科技史意义要更为独特。上述能源都是地质年代以来贮存在地壳中的，被植物光合作用凝固的太阳核聚变能。而环流器，则希望跨过那些中间环节，直奔主题。 而且，上述原始的动力源都没有超出人的日常经验，其机理一望便知。但环流器，根本让人无从把握。 我想起赫鲁晓夫在回忆录里写到他第一次看到苏联运载火箭时的感受，“我们这些人像傻子一样，这里看看，那里摸摸，差点就用舌头去舔一舔火箭外壳的味道了”。此时，我感觉自己比赫鲁晓夫还要无助。 我只能碎片式的接受：有的装置是探测核聚变释放出中子的，有的是测量磁场的，有的是为核聚变供电的，有的是进行磁场控制的。 毕竟受控核聚变不是一个独立的专业，而是一个高度综合的学科。搞激光的，有搞阀门的，有搞等离子体物理的，有搞材料的，电控的，计算机的，等等等等，太多了……没有任何一个人能掌握关于它的所有知识。而这个研究院号称总师单位，是专门负责系统集成的。核聚变研究也是一个国家科技实力，工业实力的象征。没有一定水平，是搞不了这个的。 我只能零星引用一些它的参数，供读者了解中国环流器2号的规模。 首先它的产生的磁场比地磁场强1万倍。 其次，它产生的等离子体威力有多强？他们曾经做过等离子体导出实验：直径10厘米、厚两厘米的铜圆盘，被等离子体击中，不到一秒钟就消失了。并不是被气化了，而且是铜盘被等离子化了。 另外，上千万度乃至一亿度的等离子体温度是计算出来的，而不是测量出来的。因为没有仪器可以测量这样的高温。 普通的燃煤锅炉运行一段时间后，需要熄火打扫炉膛，清除里面的废渣。这台燃烧核聚变燃料的“锅炉”也是这样。科研人员会用辉光放电“打扫”真空室内部。清除里面的杂质。 温度那么高的等离子体在运行，所有物体固态物质不是都被气化了吗？怎么还会有固体杂质呢？其实等离子体的核心温度有上千万度乃至上亿度，但是边缘温度会被控制得很低，只有上千度。否则真空腔内壁也会被熔化。内壁是碳结构，碳耐高温，但活性炭也善于吸附杂质，所以会有等离子体与内壁作用生成的杂质附着在上面，影响实验精度，需要清除。要知道，一丁点杂质就会产生雪崩效应，使得等离子体形态与运动方式发生剧烈变化，结果就是高速粒子轰击到内壁，破坏真空腔。 这么复杂的装置，一定做过很多次核聚变实验吧？ 是的，从2003年至2019年，该装置共放电33,000次。听起来很多。但每次放电平均时长只有两秒钟。所以，16年来实验总时长还不到24小时（86,400秒）。真正的发电厂可是要24小时不间断运行的。 但就是这区区两秒钟实验，每次就得花10万人民币的经费。 这样简单算下来，十六年来的实验经费大概是33亿元。而ITER立项时预估的成本是100亿欧元。 参观时，该装置自然没有运行，所以我好奇地问工作人员，装置运行时的感官体验是什么样的？ 他说，从视觉上来看，只能用摄像头对准真空腔上开的玻璃小窗口，从屏幕上看到里面的情况——红色的火焰——并不感觉温度有多高。 至于振动？并没有。但由于实验时磁场启动，而且等离子体高速运行时也会产生电磁场，所以这些金属设备里面会产生涡电流，被这些磁场吸引，金属会产生巨大的扭力，但这些力肉眼是看不到的。因此核聚变装置对于材料学的要求是非常高的。 至于听觉嘛，根本听不到任何声音。因为等离子体的密度实在太低了，有多低呢？相当于我们周围空气密度的10的-10次方分之一，也就是100亿分之一。这么低密度的等离子体是无法传递人耳可辨别的声音的。
