■本報記者 貢曉麗
看過《鋼鐵俠》電影的漫威影迷們應該知道，鋼鐵俠戰甲最重要的一部分就是胸前的方舟反應堆。這個裝置是鋼鐵俠戰甲的能源裝置，在現實生活中是有原型的，名為託卡馬克，是一種利用磁約束來實現受控核聚變的環形容器。
雖然現實中利用拳頭大小的方舟反應堆讓人體飛起來不能實現，但我國的託卡馬克裝置東方超環（EAST）日前取得重大突破的消息，卻讓我們看到能源領域核聚變的應用前景。
由於核聚變的反應原理與太陽類似，因此，東方超環也被稱做“人造太陽”。近日，中國科學院等離子體研究所發佈消息稱，該所“人造太陽”實現加熱功率超過10兆瓦，等離子體儲能增加到300千焦，等離子體中心電子溫度首次達到1億攝氏度，獲得的多項實驗參數接近未來聚變堆穩態運行模式所需要的物理條件，朝著未來聚變堆實驗運行邁出了關鍵一步，也為人類開發利用核聚變清潔能源奠定了重要的技術基礎。
技術不斷獲突破
“描述等離子體的參數很多，比如穩態運行時間、密度、電子溫度、離子溫度等等，都很重要，我們希望所有的參數同時提高。”中科院等離子體物理研究所所長萬寶年接受記者採訪時表示，“這次大家關注的‘1億攝氏度’是電子溫度，實際上除了電子溫度還要看離子溫度。”
此次等離子體中心電子溫度達到1億攝氏度，主要歸功於電子迴旋與低雜波協同加熱兩項技術。“EAST就好比一個爐子，要讓它的內部足夠熱。一要提高加熱效率，二要讓熱量更慢跑出去。”萬寶年說，“爐子越大，越容易提升核心溫度。EAST比較小，實現電子溫度1億攝氏度比較難；將來ITER（國際熱核聚變反應堆）用同樣的辦法實現2億攝氏度，就容易多了。”
EAST近年來一直走在國際競爭最前列，在高性能、穩態、長脈衝等離子體研究方面成績傲人。比如2017年EAST創造了“101.2秒高約束模等離子體運行”的穩定時間世界紀錄，就引起輿論熱議。
“我國EAST之所以能取得這些成績，與持續的投入有很大關係。”中國科學技術大學核科學技術學院教授葉民友告訴記者。受控熱核聚變研究的重大突破是將超導技術成功地應用於產生託卡馬克強磁場的線圈上，建成超導託卡馬克，使得磁約束位形的連續穩態運行成為現實。超導託卡馬克被公認為是探索、解決未來穩態聚變反應堆工程及物理問題最有效途徑。
中科院等離子體所在1994年通過國際合作成功研製出HT-7超導託卡馬克，這是一個可產生長脈衝高溫等離子體的中型聚變研究裝置。葉民友表示，它的研製成功，使我國成為繼俄、日、法之後第四個擁有該類裝置的國家，從此為中國的聚變事業全面走向國際舞臺開拓了一條創新之路。經過十多年來科研和工程技術人員的不斷改進，取得許多創新成果。
真空的“甜甜圈”
為什麼要在核聚變領域不斷突破？“從能源的需求來講，中國比任何一個國家都需要能源。”中國工程院院士李建剛在近日舉行的中科院SELF格致論道講壇中表示。與不可再生能源和常規清潔能源不同，聚變能具有資源無限、不汙染環境、不產生高放射性核廢料等優點，是人類未來能源的主導形式之一，“核聚變研究是人類探尋未來高效清潔能源的重要途徑”。
“核聚變的產物是能源中子和氦氣，非常清潔。”李建剛說，“作為資源，核聚變的燃料可以大規模生產，未來的能源體系可能有20%的可再生能源，但最大規模的能源供給一定是靠聚變來維持”。
但核聚變也有一點不好，就是非常難實現。
一位不願具名的聚變堆中面向等離子體材料領域的研究人員告訴記者，兩個原子核聚變在一起，靠的是強相互作用力，這個力的作用範圍非常短，因此要把兩個原子核湊得非常近才行。同性電荷之間的庫侖斥力，使得核聚變的反應條件異常苛刻，要把反應物加熱到千萬乃至上億攝氏度，才能通過熱運動克服庫侖斥力撞在一起，發生聚變反應。
把聚變燃料燒到上億度的同時又不把容器燒壞，是一件很有技術含量的事情。科學家選擇用磁場來隔空控制因高溫電離的燃燒，使其不直接接觸反應堆容器，這種聚變方式，稱為磁約束核聚變。“它的模樣就像甜甜圈。”李建剛說。
只是這個“甜甜圈”要求真空度很高。據介紹，傳熱有三種模式:熱傳導、熱對流、熱輻射，只有熱輻射是在真空下繼續進行的。真空環境下等離子體懸浮在聚變裝置腔體內部，即便是中心溫度幾千萬甚至上億攝氏度，輻射到第一壁材料都會降低到幾百攝氏度。“我們用五層真空實現了一億攝氏度和零下269攝氏度的結合。”李建剛說。
帶動高新產業發展
儘管聚變能離我們還是很遙遠，但是通過國際合作，研究過程中產生的技術卻能夠很好地用在國民經濟建設上，也帶動了我國高新技術產業的發展。
“在參與ITER的過程中，國內企業得到了非常好的發展，已經形成了全世界最先進的技術，規模和產量也很可觀，採購包獲得國際認可。”李建剛介紹，西北有色金屬研究院和西部超導公司對超導材料的研究不斷深入。“由於飛機落地的一剎那衝擊力非常大，我國殲—15艦載機的起落架對材料的要求很高，我們就用ITER的材料解決了航載機的起落架問題。”
熱核聚變反應堆關鍵材料的工況溫度為-269℃，這是核聚變材料區別於包括核裂變材料在內的其他材料的顯著特性，對材料性能要求極高。葉民友表示，這需要一種特殊的不鏽鋼，它首先要能耐低溫，同時還要耐強輻射，我們國家在參加ITER之前從來沒有生產過這種材料。
現在，通過國際合作，山西太鋼開發出具有國際先進水平的生產工藝，陸續為ITER計劃提供了一系列產品，大部分應用於極低溫和超強磁場下，且承受複雜的機械力和電磁力。該企業產品所有項目的檢測結果均遠高於ITER國際組織制定的採購規範要求，驗收專家們對太鋼的高質量產品一致給予高度評價。
東方超環的成功，使中科院等離子體所成為ITER計劃中國工作組最重要的單位之一。等離子體所承擔了ITER中國採購包近80%重要部件的研製任務。葉民友介紹，等離子體所承擔的ITER部件研製實現100%國產化並以優異的性能指標通過國際評估，“中國在ITER項目進度在七方參與國家中居前列”。
中國在ITER建設的同時，已經開始規劃建設中國聚變工程實驗堆CFETR。李建剛也在講壇中展示了中國團隊設計的中國工程聚變堆，他表示，這個大鵬展翅騰飛的設計外形，象徵著人類追求聚變的夢想，象徵中華民族騰飛的夢想。
李建剛曾說，希望能在有生之年，看到一盞由聚變能點亮的燈在中國亮起。或許這一次的突破，讓我們離點亮這盞燈又近了一些。
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