会员登录
  • 没有账号? 去注册
会员注册
  • 已有账号? 去登录

2022-2023

我种了40年“太阳”,为了点亮那盏灯 | 李建刚
发布时间:2023-03-21    3346   

内容来自墨子沙龙线上活动“点亮聚变的第一盏灯”(2023年2月22日),演讲者是合肥国家科学中心能源研究院李建刚院士。

文字由林梅整理。


随着《流浪地球2》的热映,行星发动机成了网络热词。在电影里,这种帮助地球远航的发动机,靠的就是可控核聚变。
 

现实中,虽然像电影中那样的重核元素可控核聚变还难以实现,但是对于氢的可控核聚变研究,人类已经走过了半个多世纪的征程。

 

在实现可控核聚变的方案中,磁约束被认为是最适合解决能源问题的途径。利用磁约束实现可控核聚变的装置叫做托卡马克,因为酷似太阳燃烧的机制,也因为被寄托了未来能源的美好愿景,人们更愿意将托卡马克叫做“人造太阳”。

 

作为全超导托卡马克核聚变实验装置牵头人,中国工程院院士李建刚已经为这颗太阳的升起奉献了四十多年的人生,他毕生的梦想,就是要在有生之年,能够看到有一盏灯被核聚变点亮,他说,这盏灯一定要在中国合肥。

 

时代和机遇,让他越来越坚信,这个梦想,不只是“梦想”。

 

核聚变是人类未来的终极能源

 

全超导托卡马克核聚变实验装置,常常被叫做“人造太阳”,今天我就想给大家说说,怎么样能够托起我们的太阳?

 

我们人类的发展史一直伴随着能源的消耗,但对能源消耗的速度并不是恒定的。就我们中华民族5000年的文明史来说,前面3000年都是烧木材,但自从我们发现煤以后,能源消耗开始增长,人口也逐渐增加。在过去的一两百年里,能源的消费急剧增长,相应的,人口急剧地增加,我们的科技水平也飞速发展。现在地球上人口为70多亿,目前主要还是依赖化石能源,也就是大家经常看到的石油、煤。

 

未来,人类需要继续发展,人口也还会继续上升,如果想要保持比较高的社会和经济水平,还是需要非常大的能源消耗,那么我们地球上现有的化石能源,将会很快消耗殆尽。这个时间窗口,只有100到300年的时间。对于我们地球的历史来讲,也就是弹指一挥间的事儿。所以,长期以来我们人类一直问自己一个问题——化石能源消耗完以后,我们要去哪里寻找稳定的能量来源?

 

相信每一位同学都认识这位科学家——爱因斯坦。爱因斯坦是我最喜欢的一位物理学家,而且我最喜欢的一个公式(没有之一)就是爱因斯坦的质能方程——E=mc2,能量等于质量乘以光速的平方。它告诉我们,哪怕只有一点点的质量,原子核级别的反应,瞬刻之间就能放出巨大能量,这就是太阳燃烧的原理,也是浩瀚的星际里大部分的恒星发光发热的原因。太阳发出能量中非常小的一部分,照射我们的地球上,几十亿年以来,我们的地球沐浴在阳光里,正是因为得到了这些能源,我们才有了现在幸福的生活。

 

说起核反应能,原子弹是最简单的,原子弹是什么原理?简单来说,就是一个大的原子核,裂变为二的时候,就释放出巨大的能量,包括我们国家在内的几个国家,都是很早以前就实现了原子弹。

 

有了原子弹,就可以利用原子弹把一团气体加热到很高的温度,实现氢弹的爆炸。

 

现在,世界上的460多个核电站都是用原子弹的原理,也就是裂变产生的能量发电。我们现在用的核电站的原料——铀,仅需一克,就能产生相当于1.8吨的石油燃烧产生的能量,如果用氘-氚的话,一克产生的能量相当于8吨的石油,正如爱因斯坦质能方程描述的那样,哪怕一克的质量,乘以光速的平方,能量就非常巨大。

 

地球上有大量的资源可供裂变电站使用。这就是一个裂变电站的工作原理:反应堆里面放上铀235,那么一旦有了中子,就会产生链式反应,源源不断地产生热量,这些热量让水变成气体,推动发动机转动发电。

 

核电站能量转换过程

 

虽然现在全世界的465个核电站都是利用这个原理,并且为人类提供了大于10%的电力,但它仍然有两个缺陷:第一,我们地球上裂变电站资源是有限的,不管是铀、钍、还是钚,储量都不多,即使全部利用,千年的时间也会用完,本质上,这些也是化石燃料的一部分。第二,就是核裂变时产生的各种射线会对人体产生伤害,放射性物质会对周围环境造成放射性污染。这一点现在还没有完全解决。比如,众所周知的美国三里岛事故、日本的福冈事故,以及切尔诺贝利核电站事故,都是由于我们人类操作不当造成的,这些事故很大程度上都是人为事故。尽管总体来说核电站是安全的,这些事故现在可以降到非常低的概率——大约100万年才会发生一次,但这种概率始终是存在的。所以一般的裂变电站都建在远离人群的地方。

 

而核聚变,具有固有安全性,什么叫固有安全性?就是说永远都是安全的,不会有问题。


对于聚变电站来说,哪怕遇到恐怖分子袭击,都没有关系,为什么呢?因为聚变的原理,首先是要把氢的同位素氘和氚加热到上亿度,这是一个很难的事情,而它的产物是什么?一个是氦气,另一个是中子。中子携带能量,我们用水就可以把中子吸收,然后水就变成水蒸气,用来发电;另一个产物氦气也是干净的,而且氦气是往空中飘的。所以,聚变的产物既没有二氧化碳,也没有长寿命的放射性元素,一旦停下来反应立刻中止。聚变要保持很难,但是要停下来就很容易。所以聚变设施可以放在城市的中心。这就叫做固有安全性。

 

我们再说说聚变的另一个优势,我们海水里面大约有氘燃料40万吨。我刚才说过,E=mc2,一升的海水可以提取0.03克的氘,释放的能量高于340升汽油燃烧产生的能量,全世界海水里有40万吨氘,所以海水里边的氘可以供我们人类使用100亿年,比太阳和地球的寿命都长,所以,聚变资源是无限的。

 

一个核电站,一年用150公斤的重水和150公斤的锂就可以了。作为比较,一个100万千瓦的煤电站,一年要烧200万吨煤,一个裂变电站一年需要30吨的铀,而聚变电站的优势就很明显了,像合肥市这样规模的城市,只需要10个聚变电站, 每个电站一年就仅消耗150公斤重水和锂。由此可见,它对资源的消耗非常之低,功率密度非常的大。

 

所以,在上个世纪,国际能源署就在探讨,我们人类未来的终极能源是什么。3000个科学家讨论了3年,给出的结论是,人类的终极能源,80%来源于聚变,再加上20%的可再生能源。结论是上个世纪得出的,随着未来社会的发展,具体数值可能会变化,但总的来说,人类未来的终极能源就是由核聚变加上可再生能源来构成,核聚变将为我们人类提供绿色的,没有任何排放的,安全的,可以无限利用的能源。
 

可控核聚变为何这么难?

 

既然核聚变这么有优势,我们为什么不早点把它弄出来?

 

我从大学毕业就待在岛上,到现在已经40年,还有很多优秀的科学家共同为可控核聚变去努力,现在,还没有完全实现这项技术。原因在于,要实现可控核聚变,必须跨越非常高的门槛,条件非常苛刻。

 

1958年,牛津大学刚刚毕业的一位博士劳逊,用了两年的时间,给出了的劳逊判据——聚变必须要满足这个条件:粒子密度n、温度T、约束时间τE,三者的乘积一定要大于1021才能够实现点火。所以,要具备条件,温度要上亿度,约束时间至少要大于一秒钟,另外要有足够多的粒子。

 

当时,人类能达到的最好成绩是10的11次方,理想和现实的巨大差距劝退了这位劳逊博士,但没有阻碍全世界其它科学家。我们用了60年的时间,仍然在朝着这个目标努力。

 

去年科学史上一个重大的事件就是美国人用激光成功地点火了。用美国能源部的话说,这是他们在70年科学历程中,最伟大的突破之一。这确实是一件非常值得我们纪念的事情。他们在相当于三个足球场这么大的空间里面摆满了激光器,用196路激光,在9.3个纳秒的时间内打到只有0.1个毫米大小的靶丸上,实现了可控的点火。

 

我们最常见的聚变体就是太阳,因为它质量特别的大,靠万有引力就可以把所有的带电离子约束住,约束时间远远大于一秒钟,所以它在2,500万度就可以发生聚变。

 

还有什么约束办法呢?我们人类就想到了用磁场的办法约束带电粒子,也就是磁约束。大家都知道,温度足够高的时候,电子飞离原子核,这就是等离子体,带电的离子和电子两者一样多。如果加上磁场,所有带电粒子都会围绕着磁力线运动,有了磁场,粒子就被约束住了,磁场越强,约束力就越强。

 

于是,前苏联人就想到了这么一个办法,发明了托卡马克。托卡马克就是像一个圈,里面的磁场强度相当于地球磁场的1万倍,能让粒子在其中悬浮、旋转。因为聚变需要上亿度高温,不能用任何容器盛装,所以我们用强磁场把它悬浮起来。

 

虽然你们对托卡马克比较陌生,但是它早就出现在美国人的大片里比如《钢铁侠》,在宇宙飞行的时候用的马达就叫托卡马克,就是一个磁笼子,只需要一公斤的气就可以在宇宙里面旅行很多年。除了《钢铁侠》,你们一定也看了《流浪地球》,说的是太阳即将氦闪,我们需要推着地球到另外一个星球去,用的是1万个重核聚变发动机。在影片里,托卡马克聚变能够拯救人类,拯救我们的地球。
 

《流浪地球》海报

 

现实中,我们国家从很早很早以前就开始着手做托卡马克,1958年,前苏联人在一次国际大会公布托卡马克的原理之后,我们国家就在四川乐山建立了中国的最大的磁约束聚变基地——中国核工业西南物理研究院。项目最早由李正武院士提出,潘垣院士作为当时的总工程师负责实施。今天,在距离乐山大佛2.6公里的地方,就是中国最早的磁约束聚变基地,博物馆里面存放了非常多的我们老一辈的科学家们当时做出来的实验装置,令人非常震撼。

 

李正武院士

 

潘垣院士


在我们科学岛上,从1973年开始,中国科学院也同时开展了托卡马克的研究。

 

在1989年的时候,前苏联已经着手开发第二代托卡马克,有意把第一代装置T-7送给其他国家。时任中科院等离子体物理研究所所长的霍裕平院士,做了一个对我们国家聚变发展非常重要的决定——“抄作业”。我们就是用了电热毯、牛仔裤、微波炉、电脑等400万人民币的生活物资生活用品,换来了当时价值1,800万卢布的装置—— T-7。

 

霍裕平院士

 

我们用两年多的时间把它拆解,改造,成为了中国的第一个超导托卡马克HT-7,在这个新装置上,我们实现了优于其他国家的实验成绩,最重要的是,培养了一批包括我在内的科学家。

 

后来,我们的磁约束做到了60秒钟,1,000万度。获得了2003年的十大科技新闻奖。

 

但要真正实现核聚变,除了需要点火达到上亿度的高温,还需要长时间的维持。去年美国的激光点火,是惯性约束,能量要先转换成激光。而对于我们磁约束来说,大量的能量消耗在磁笼子的产生,要产生地球磁场1万倍的磁场,这个过程消耗了巨大能量。我们怎么样能不让磁笼子消耗能量呢?大家都知道,消耗功率等于电流乘电阻,如果没有电阻,能量消耗就等于0,电阻怎么样等于0?超导。所以,必须建造新一代全超导托卡马克核聚变实验装置——东方超环EAST。

 

一旦说起超导,所有的问题既变得简单也变得复杂。

 

简单在哪?消耗功率很少,意味着以后发电,一点点能量就可以点火。

 

难在哪?首先,超导需要4K,也就是零下269度的温度,而我们实现聚变的温度是上亿度,怎么把这两个温度放在一起?其次,高能粒子束很容易把周边材料打坏,需要抗高温、抗高辐照的材料;第三,托卡马克对于误差有着极端的要求,哪怕0.1毫秒、0.1毫米的误差都会导致失败,所以需要先进的控制系统。而这一切,都要求长时间连续运行。

 

所以我总说,全超导托卡马克核聚变的的确确比登天还难。我们需要产生一个上亿度高温的“甜甜圈”,还要把它放在一个零下269度的低温容器中,再把它磁悬浮起来,这就是超导托卡马克,也就是所谓的“人造太阳”,尽管我干了40年,我的老师万元熙院士做了60年,还没有完全做出来,就是因为这件事的的确确挑战了人类科学和技术的极限。

 

当时,全世界还没有国家做过这件事情,所有的东西都要我们自己去设计,比如说,磁笼子怎么做?怎么加热?用什么方法点火?怎么样控制真空?……所有的技术都是靠我们自己。其中,一个最关键的核心就是超导磁体。超导磁体要产生1万倍于地球磁场的强度——35,000高斯,这里就需要用到国外的线材,其它所有的工序都是我们自己在做。

 

2000年10月,项目正式开工,我们用了5年半的时间建造,又用了9个月调试成功,2006年9月26日,EAST成功获得等离子体,达到了500万度,持续时间大约不到一秒钟。

 

2006年9月26日,EAST成功获得等离子体


但是,这还远远不够。去年,EAST创造新的世界纪录,成功实现可重复的1.2亿摄氏度,100秒等离子体运行,然后又实现了1056秒,7,000万度的记录。这是当时的情形,可以看到,温度非常之高,比太阳中心还高6倍,可见光已经几乎没有了。控制的精度方面,大约在0.5个毫秒、0.5个毫米的尺度。从2006年到现在,经过了15年,在长时间维持这个方面,我们已经走到了全世界的前面。

 

100s 稳态 1.2亿度、1056s 7000万度,新的世界纪录

 

未来,用来发电的话,1000秒还不行,必须是想多长时间就得多长时间,所以未来还有很多难题,我们还要继续往前面走。
 

还有两三件事情比较难的,比如,加热的问题。平时我们加热食物,最快的办法是微波炉。全世界最大的“微波炉”在我们这,总功率高达30兆瓦的微波驱动。大家都知道,我们常规通讯也是用电磁波,中央电视台的发射功率也就10个到百千瓦,还有我们用的最大的微波炉只有500瓦,我们所有用到的技术都达到了现有人类技术的极限,这些极限共同作用,才有可能把它点着并维持,现在我们东方超环里边所有的东西,基本上可以做到百分百的国产化。

 

还有一个难点,我们100秒、1000秒的长时间高温,材料很容易被打坏。我们用过全不锈钢、全石墨 、全合金钨等各种方法,用到了目前地球上几乎是最先进的材料,又要抗辐照,又要耐高温。我们的材料承受的粒子轰击载荷比飞机发动机承受的还要高100倍。

 

发展了这些技术以后才有我们去年的结果,聚变两大难题,一大是点火,第二个就是长时间的维持。在过去的几年之内,我们也是产生了很多技术突破,特别是在长时间的维持方面,我们确实比美国人做得好一些,多次创造高约束等离子体稳态运行世界纪录。EAST装置稳定运行15年,2次国家科技进步一等奖,4次中国科技十大进展新闻。

 

有了一些好的成绩,我们下面更要做好这件事。
 

可控核聚变是人类共同的事业

 

我们如果回头看80年代,那个时候是美苏两个超级大国冷战时期。幸运的是,古巴的导弹危机之后,两位伟大的政治家——戈尔巴乔夫和里根,决定坐下来,寻求一些共同的事情,能够向全世界证明,人类可以非常好的团结在一起,共同做些有意义的事。托卡马克作为共同问题的解决方案,又需要全世界科学家和工程师的努力,就这样成为了两国领导人的选择。

 

一开始,成员只有美国、苏联、日本和欧盟。后来,因为种种原因,美国退出,我国决定抓住机会,参加了国际热核实验堆——ITER计划。

 

但是,参加ITER计划有个门槛,就是必须要贡献10%的资金。这对于90年代的我国,是笔不小的负担。要知道,当时973计划一年的经费只有3.5亿,而ITER计划10%的贡献就高达4.6亿,可想而知,这个提议遭到了全国科学家和工程师的反对。

 

后来,随着国家实力的增强,加入ITER计划才变得可行。经过了两个星期的讨论,国家决定加入ITER计划,时任科技部部长的徐冠华负责主持,承诺不仅可以以10% 的贡献获取100% 知识产权,实现弯道超越 ,并且还要带动国内聚变产业的发展。

 

从2006年谈判成功,到现在的十几年时间里,中国通过参加ITER获得了巨大的进步。首先,我们做的所有实物,都成为了实质贡献;其次,深度参与整个计划;最重要的是一大批的企业得到了迅速发展、自主创新能力得到极大提高,完成了脱胎换骨的飞跃,初步建立了未来中国聚变工业的基础。举个例子,产生超导磁体所需的超导线,参加ITER前我们仅能生产36公斤短样,现在我们可以生产大样,年产150吨,广泛应用于核磁共振。

 

除此之外,这些发展起来的很多技术已经用到我们国民经济上。举个例子,严重威胁人类健康的癌症,越早发现,治疗效果越好。核磁共振的磁场越高,分辨率越好,看得越清楚,利用超导技术,现在市场上已经有了7特斯拉的核磁共振,未来,如果做到了10特斯拉,可以看到小到细胞的癌变,有助于早期干预;在癌症的治疗方面,我们希望在杀死癌细胞的同时,不对正常细胞造成损伤,也就是精准打击。加速器的精准束流可以做到这一点,利用超导,可以将加速器小型化,降低成本,让这种仪器大规模普及。

 

可控核聚变技术不光是我们人类先进技术的摇篮,更重要的意义在于,它真正能够体现我们人类是一个命运共同体。

 

从80年代开始,世界上的所有做聚变的等离子体物理学家,始终联合在一起,合作和交流从来没有中断。现在,每年都有上百上千人次的美国科学家到我们这来开会、交流,去年,美国的托卡马克分配两个礼拜给我们中国人做实验,我们的设备也有三个礼拜给他们实验。之所以如此,是因为聚变的的确确是我们人类共同的难题。

 

可以想象一下,如果未来能源问题被解决,人类将不再需要为抢夺资源发动战争。我4次获得国际合作奖,也说明了人类的的确确需要和平,而和平的一个最基本的条件是大家不用担心资源,可以吃得饱饭用得起电。所以我们要把能源问题解决好。很多年前,我在联合国做了一次报告,我在报告中指出,发展中国家对聚变的需求要远远大于发达国家,一旦可控聚变实现了,世界就会变得更加的和平。

 

特别是现在,碳中和是我们的重要课题,而聚变是没有二氧化碳排放的。如果我们能够很快实现聚变,尽快开启聚变工程示范和商业应用进程,到了本世纪末可以建设1000个聚变电站,提供85亿吨CO2减排。

 

聚变商用化以后会非常便宜,因为一个聚变电站一年仅用150公斤重水,像我们合肥1,000万人口的这样一个大城市,需要10个电站就够了,重水的成本仅为1,500万一吨,用电也可以白菜价。

 

人类之所以成为人类而不是动物,就是我们内心深处都有一份善良美好的愿望,人的内心深处都是乐于助人的,技术本身不会加大贫富差距,相反,随着文明发展,随着我们解决了能源问题,我们会更愿意去帮助欠发达的国家和地区。这就人类命运共同体的含义。

 

我们人类对能源的需求从来没有像现在这么紧迫,现在往回看,前面60年还是基础研究为主,我们现在应该到了一个转折点,从基础研究到工程研究到商业化,这个进程要加快。所以安徽省委省政府就说,我们在科技发展上面要走到前面,要尽快地建实验堆(BEST),建工程示范堆(CFEDR),建商用堆。

 

我以前老是觉得这些事情还很遥远,但是现在,国家的投入非常之大了。举个例子,我们的一个聚变堆主机实验装置,国家只给了18个亿,安徽合肥又配套了45个亿。

 

聚变堆主机关键系统

 

现在,我们建成了CFETR 1/8真空室集成测试平台 ,为聚变堆内部偏滤器、遥操作、辅助加热等部件及系统的安装、测试提供一个全尺寸的空间模拟环境 。聚变堆主机新园区很漂亮,经常对公众开放,欢迎大家来现场参观。

 

有的同学可能听过我在中央电视台《开讲了》节目中最后说的一句话,我最大的梦想就是在我的有生之年能够在中国合肥,看到聚变点燃一盏灯。5年前说这句话的时候,我以为这一辈子也许看不到,但是现在我发现可以,因为新的时代,新的机遇,给我们提供了一个非常好的展现的舞台,我相信我们可以在5年左右的时间内实现聚变,有望用不到10年的时间,你们一定能看到有一盏灯在咱们合肥被聚变点亮。

 

除此之外,仅仅点一盏灯还不够,我们还要做100万千瓦的中国聚变工程试验堆或者示范堆。

 

欢迎加入核聚变事业

 

说起10年以后的核聚变事业,那时候在座的你们基本上博士毕业了,你就可以加入我们这个队伍,真正接过前辈的接力棒,推动核聚变一直往下发展。

 

我们要什么样的学生呢?

 

首先要有献身做科研的理想,你一定要喜欢这件事,才有动力。

 

其次,要有敢于向世界难题挑战的决心,还要不怕困难,不怕失败,要做到长时间的刻苦。因为科研会遇到很多困难,我做的这些科学实验做了20万次,有5万次都失败了,正是一次次的失败才成就了我们的可控核聚变,也才成就了我本人。

 

最后一点,要有团队精神。我们现在有一个1000人的团队,未来可能需要1万人。

 

如果说你具备了这几条素质,好好学习,欢迎以后来考我的研究生,来跟我一起种太阳。

 

在我们的团队中,我们的女科学家表现十分出色,在我们的47个教授中,有10位教授是女科学家,我们最近在申请中国女科学家团队奖,因为我们团队里有157名女科学家,比全国任何一个的团队都多。所以女孩子们不要害怕科研,你们可以和男孩子一样优秀。只要你具备了那4条素质,同样欢迎来报考我的研究生。

 

欢迎大家在业余的时间来参加科学岛的科技之旅,我们的EAST经常有这种活动,你可以进到内部参观。我们的建筑像一个飞碟,这个飞碟代表着未来,代表了我们的托卡马克,代表着科学,也代表了艺术,这个东西是我设计的。

 

说了这么多,总结一下,我觉得聚变是重要的,还需要一代人两代人的努力,希望一定是在你们的身上,也希望大家学习上能够突飞猛进,好好学习,天天向上,我相信不管是哪一个行当,特别是我们聚变事业——托起明天的太阳,希望一定寄托在你们身上,谢谢大家。

 


作者简介


李建刚,中国工程院院士,理学博士,合肥国家科学中心能源研究院院长,中国磁约束聚变专家委员会召集人,中国物理学会副理事长。长期从事磁约束聚变研究,在等离子体加热、偏滤器物理与工程、等离子体与材料相互作用、聚变堆设计等方面做出重要贡献,获国家科技进步一等奖两项,全国杰出专业技术人才奖、何梁何利奖、创新争先奖、安徽省杰出成就奖、安徽科技进步一等奖两项,德国赫尔姆兹杰出成就奖、华人物理协会杰出贡献奖等。