■本报记者 贡晓丽
看过《钢铁侠》电影的漫威影迷们应该知道，钢铁侠战甲最重要的一部分就是胸前的方舟反应堆。这个装置是钢铁侠战甲的能源装置，在现实生活中是有原型的，名为托卡马克，是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器。
虽然现实中利用拳头大小的方舟反应堆让人体飞起来不能实现，但我国的托卡马克装置东方超环（EAST）日前取得重大突破的消息，却让我们看到能源领域核聚变的应用前景。
由于核聚变的反应原理与太阳类似，因此，东方超环也被称做“人造太阳”。近日，中国科学院等离子体研究所发布消息称，该所“人造太阳”实现加热功率超过10兆瓦，等离子体储能增加到300千焦，等离子体中心电子温度首次达到1亿摄氏度，获得的多项实验参数接近未来聚变堆稳态运行模式所需要的物理条件，朝着未来聚变堆实验运行迈出了关键一步，也为人类开发利用核聚变清洁能源奠定了重要的技术基础。
技术不断获突破
“描述等离子体的参数很多，比如稳态运行时间、密度、电子温度、离子温度等等，都很重要，我们希望所有的参数同时提高。”中科院等离子体物理研究所所长万宝年接受记者采访时表示，“这次大家关注的‘1亿摄氏度’是电子温度，实际上除了电子温度还要看离子温度。”
此次等离子体中心电子温度达到1亿摄氏度，主要归功于电子回旋与低杂波协同加热两项技术。“EAST就好比一个炉子，要让它的内部足够热。一要提高加热效率，二要让热量更慢跑出去。”万宝年说，“炉子越大，越容易提升核心温度。EAST比较小，实现电子温度1亿摄氏度比较难；将来ITER（国际热核聚变反应堆）用同样的办法实现2亿摄氏度，就容易多了。”
EAST近年来一直走在国际竞争最前列，在高性能、稳态、长脉冲等离子体研究方面成绩傲人。比如2017年EAST创造了“101.2秒高约束模等离子体运行”的稳定时间世界纪录，就引起舆论热议。
“我国EAST之所以能取得这些成绩，与持续的投入有很大关系。”中国科学技术大学核科学技术学院教授叶民友告诉记者。受控热核聚变研究的重大突破是将超导技术成功地应用于产生托卡马克强磁场的线圈上，建成超导托卡马克，使得磁约束位形的连续稳态运行成为现实。超导托卡马克被公认为是探索、解决未来稳态聚变反应堆工程及物理问题最有效途径。
中科院等离子体所在1994年通过国际合作成功研制出HT-7超导托卡马克，这是一个可产生长脉冲高温等离子体的中型聚变研究装置。叶民友表示，它的研制成功，使我国成为继俄、日、法之后第四个拥有该类装置的国家，从此为中国的聚变事业全面走向国际舞台开拓了一条创新之路。经过十多年来科研和工程技术人员的不断改进，取得许多创新成果。
真空的“甜甜圈”
为什么要在核聚变领域不断突破？“从能源的需求来讲，中国比任何一个国家都需要能源。”中国工程院院士李建刚在近日举行的中科院SELF格致论道讲坛中表示。与不可再生能源和常规清洁能源不同，聚变能具有资源无限、不污染环境、不产生高放射性核废料等优点，是人类未来能源的主导形式之一，“核聚变研究是人类探寻未来高效清洁能源的重要途径”。
“核聚变的产物是能源中子和氦气，非常清洁。”李建刚说，“作为资源，核聚变的燃料可以大规模生产，未来的能源体系可能有20%的可再生能源，但最大规模的能源供给一定是靠聚变来维持”。
但核聚变也有一点不好，就是非常难实现。
一位不愿具名的聚变堆中面向等离子体材料领域的研究人员告诉记者，两个原子核聚变在一起，靠的是强相互作用力，这个力的作用范围非常短，因此要把两个原子核凑得非常近才行。同性电荷之间的库仑斥力，使得核聚变的反应条件异常苛刻，要把反应物加热到千万乃至上亿摄氏度，才能通过热运动克服库仑斥力撞在一起，发生聚变反应。
把聚变燃料烧到上亿度的同时又不把容器烧坏，是一件很有技术含量的事情。科学家选择用磁场来隔空控制因高温电离的燃烧，使其不直接接触反应堆容器，这种聚变方式，称为磁约束核聚变。“它的模样就像甜甜圈。”李建刚说。
只是这个“甜甜圈”要求真空度很高。据介绍，传热有三种模式:热传导、热对流、热辐射，只有热辐射是在真空下继续进行的。真空环境下等离子体悬浮在聚变装置腔体内部，即便是中心温度几千万甚至上亿摄氏度，辐射到第一壁材料都会降低到几百摄氏度。“我们用五层真空实现了一亿摄氏度和零下269摄氏度的结合。”李建刚说。
带动高新产业发展
尽管聚变能离我们还是很遥远，但是通过国际合作，研究过程中产生的技术却能够很好地用在国民经济建设上，也带动了我国高新技术产业的发展。
“在参与ITER的过程中，国内企业得到了非常好的发展，已经形成了全世界最先进的技术，规模和产量也很可观，采购包获得国际认可。”李建刚介绍，西北有色金属研究院和西部超导公司对超导材料的研究不断深入。“由于飞机落地的一刹那冲击力非常大，我国歼—15舰载机的起落架对材料的要求很高，我们就用ITER的材料解决了航载机的起落架问题。”
热核聚变反应堆关键材料的工况温度为-269℃，这是核聚变材料区别于包括核裂变材料在内的其他材料的显著特性，对材料性能要求极高。叶民友表示，这需要一种特殊的不锈钢，它首先要能耐低温，同时还要耐强辐射，我们国家在参加ITER之前从来没有生产过这种材料。
现在，通过国际合作，山西太钢开发出具有国际先进水平的生产工艺，陆续为ITER计划提供了一系列产品，大部分应用于极低温和超强磁场下，且承受复杂的机械力和电磁力。该企业产品所有项目的检测结果均远高于ITER国际组织制定的采购规范要求，验收专家们对太钢的高质量产品一致给予高度评价。
东方超环的成功，使中科院等离子体所成为ITER计划中国工作组最重要的单位之一。等离子体所承担了ITER中国采购包近80%重要部件的研制任务。叶民友介绍，等离子体所承担的ITER部件研制实现100%国产化并以优异的性能指标通过国际评估，“中国在ITER项目进度在七方参与国家中居前列”。
中国在ITER建设的同时，已经开始规划建设中国聚变工程实验堆CFETR。李建刚也在讲坛中展示了中国团队设计的中国工程聚变堆，他表示，这个大鹏展翅腾飞的设计外形，象征着人类追求聚变的梦想，象征中华民族腾飞的梦想。
李建刚曾说，希望能在有生之年，看到一盏由聚变能点亮的灯在中国亮起。或许这一次的突破，让我们离点亮这盏灯又近了一些。
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