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杰瑪·康羅伊:中國正在競逐核聚變研究的世界領導者
最后更新: 2024-09-03 14:26:25【文/杰瑪·康羅伊,翻譯/陳佳芮,校對/郭涵】
今年二月一個寒冷的清晨,位于合肥的中國科學院等離子體物理研究所(ASIPP)被白雪覆蓋的院子異常安靜。春節(jié)即將來臨,城里的大多數人都忙著準備慶祝龍年。然而,研究所里的科研人員依舊埋頭苦干。在一間巨大的、天花板上點綴著星形紅色霓虹的控制室里,等離子體物理學家龔先祖正在馴服一頭與眾不同的“火龍”。
這頭“火龍”是一個核聚變反應試驗裝置,即全超導托卡馬克核聚變實驗裝置(EAST)。這個托卡馬克裝置形似一個甜甜圈,能夠產生與驅動恒星能量相同的核反應。它們利用磁場將等離子體(一種含有離子和電子的流體狀物質)的加熱環(huán)路限制在比太陽核心溫度更高的環(huán)境中,迫使原子產生核聚變并釋放能量。若能將熾熱、不穩(wěn)定的等離子體維持在足夠穩(wěn)定且可控的狀態(tài)、持續(xù)足夠長的時間,便幾乎可以產生無限量的清潔能源,這是一項尚待實現的壯舉。
中科院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所有“人造太陽”之稱的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置(EAST)視頻截圖
駕馭不穩(wěn)定的等離子體是一份艱苦卓絕的工作。每天從清晨到午夜時分,龔先祖和同事們要加熱等離子體約100次。相比之下,位于英國庫勒姆(Culham)的歐洲聯合環(huán)狀反應堆(JET)在去年關閉前曾是世界上最大的核聚變研究設施,那里每日僅能完成20到30次加熱。作為全超導核聚變實驗裝置物理實驗總負責人,龔先祖表示:“我們幾乎沒有周末,也沒有假期?!?
盡管全超導托卡馬克核聚變實驗裝置只是通往引發(fā)廣泛期待的核聚變發(fā)電站的一塊跳板,但這樣的設施卻讓中國在全球核聚變研究的競賽中嶄露頭角。
全世界最知名的核聚變實驗裝置是耗資220億美元建造的國際熱核聚變實驗堆(ITER),這個位于法國南部的龐大托卡馬克裝置正在建設中,中國也參與了該項目。近年來,美國與其他地方的雄心勃勃的企業(yè)已籌集數十億美元建造自己的反應堆,他們聲稱將在政府主導項目之前展示出實用的核聚變能力。
與此同時,中國正迅速向核聚變研究領域投入大量資源。中國政府的“十四五”規(guī)劃將關鍵核聚變項目的綜合研究設施列為國家科技基礎設施發(fā)展的重大優(yōu)先事項。
美國能源部旗下核聚變能源科學辦公室副主任讓·保羅·阿蘭(Jean Paul Allain)稱,粗略估計,中國現在每年在核聚變研究上的投入可能高達15億美元,幾乎是美國政府本財年對該研究撥款的兩倍。他還說:“比總價值更重要的是他們實現這一目標的速度有多么快?!?
麻省理工學院(MIT)的核科學家丹尼斯·懷特(Dennis Whyte)表示:“在核聚變研究領域,中國已從25年前的無名之輩發(fā)展為擁有世界級水平的國家。”
盡管還無人能預見核聚變發(fā)電站是否具有可行性,但中國科學家已制定了雄心勃勃的時間表。到本世紀30年代,即國際熱核聚變實驗堆啟動主要實驗之前,中國計劃建成中國聚變工程實驗堆(CFETR),目標是產出一吉瓦的聚變能量。根據2022年制定的發(fā)展路線圖,若該計劃順利實施,人類有望在未來幾十年內迎來第一座核聚變發(fā)電站的誕生(J. Zheng et al. The Innovation 3, 100269; 2022)。
英國帝國理工學院等離子體物理學家亞斯明·安德魯(Yasmin Andrew)表示:“中國正在戰(zhàn)略性地投資與發(fā)展核聚變能源計劃,以期在全球范圍內保持長期領先地位?!?
建造人造太陽
自20世紀50年代以來,科學家們一直在嘗試讓核聚變反應堆能夠運作。其基本原理是將兩個帶正電荷、相互排斥的氫原子核合并成一個更大的氦原子核。在太陽內部,引力產生的巨大壓力足以實現這一過程;而在地球上則需要高溫和強磁場的輔助。然而迄今為止,研究人員依然無法令核聚變反應維持足夠長的時間,以產生相比引發(fā)核聚變反應所需更多的能量。
2022年底,位于美國加州利弗莫爾的美國國家點火裝置(NIF)研究人員宣布取得了突破性進展,他們在短時間內回收了相比投入的燃料更多的聚變能量。美國國家點火裝置使用托卡馬克裝置的替代設計,向氫同位素氘和氚的微小顆粒發(fā)射192束激光,引發(fā)了它們的聚變反應。然而,用于操作激光的能量遠超過向目標輸送的能量。
許多研究人員認為,實現核聚變能最可行的方法是利用托卡馬克裝置來約束一個持久的“燃燒等離子體”,其中,聚變反應產生的熱量足以維持其燃燒。國際熱核聚變實驗堆的目標之一,也是建設核聚變發(fā)電站的一般先決條件便是創(chuàng)造一種燃燒等離子體,其產生的能量是輸送給等離子體的十倍。
若科學家能夠實現這一目標,核聚變技術將提供一種比傳統(tǒng)裂變核電站更安全、更清潔的替代方案。裂變核電站分裂重鈾原子核所產生的放射性廢料,其危害性可能持續(xù)數千年。而聚變反應堆產生的廢料則壽命較短。其另一大安全特點在于,如果等離子體降至一定溫度或密度以下,聚變反應就會自行停止。此外,預計核聚變過程將比核裂變更高效;國際原子能機構指出,每千克燃料產生的聚變能是裂變能的四倍。
中核集團中核工程牽頭的中法聯合體是目前國際熱核聚變實驗堆(ITER)項目主機安裝的唯一承包商。“中核集團”微信公眾號
對中國而言,這是一個極其誘人的前景。在2020年至2022年期間,中國部分地區(qū)因寒冬時節(jié)電力需求的激增而出現大規(guī)模停電。盡管可再生能源領域發(fā)展迅速,但中國仍有一半以上的電力來自煤炭,且仍是全球碳排放的最大來源國。中國計劃在2030年前實現碳達峰,2060年前實現碳中和,但其能源需求將在未來三十年內翻一番。等離子體物理學家、中科院等離子體物理研究所所長宋云濤表示:“我們需要推動創(chuàng)新、減少碳排放,這是我們的夢想。核聚變能源可以實現這一點?!?
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本文僅代表作者個人觀點。
- 責任編輯: 郭涵 
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