中國作為7個成員國之一,與美、俄、日、法等國一起,參與了項目的開發和研究。而作為不銹鋼產能全球第一的太原鋼鐵(集團)有限公司,則承擔了“人造太陽”中的鋼板研發部分。人造太陽離我們有多遠?它能給人類生活帶來哪些改變?人造太陽與太鋼有哪些不解情緣?讓我們跟隨記者的腳步,揭開一系列神秘面紗。
探秘一場清潔能源變革正悄然進行
一場初雪,讓太鋼園區變得格外清冷。如果不是“人造太陽”項目,很少有理由能夠阻擋張寶林出差的腳步。52歲的張寶林是太鋼的一名高級經濟師,“人造太陽”項目的參與者。
“人造太陽是指通過可控熱核聚變的方式,給人類帶來幾乎無限的清潔能源。”在通往園區的路上,張寶林開始介紹人造太陽的原理。簡言之,太陽的光和熱,來源于氫的兩個同胞兄弟——同位素氘和氚,在聚變成一個氦原子的過程中釋放出的能量,“人造太陽”就是“模仿”這一過程。
目前,人類核電站有序利用的核能都是核裂變過程——由較重的原子核裂變成較輕的原子核,從中獲得釋放的能量。單位質量釋放的能量輕核聚變比重核裂變要大數倍。
“有專家考證,較早提出人造太陽解決人類能源問題的是一位蘇聯的年輕少尉。這個高中學歷的大男孩在1950年提出這個想法時,蘇聯科學家們沒有笑話他,而是科學審慎分析了它在理論和實踐中的可行性。歷史證明,很多改變世界的偉大科學發現和科技進步,源自勇敢的空想、睿智的呵護和執著的追求。”張寶林說。
逐夢太鋼已為“人造太陽”奮斗十年
張寶林與“人造太陽”第一次觸電,是在2007年的春天。一名中科院的同行發給他一封郵件。同行在郵件中問詢,太鋼能不能制造一種鋼管。據張寶林回憶,這種鋼管被要求“又圓又方”,且技術參數十分苛刻,很難實現。多年的科研經驗讓張寶林迅速做出判斷:這是一個非比尋常的高科技項目。過了沒幾天,太鋼方面宣布,承擔“人造太陽”部分采購包的研發、生產任務。“人造太陽”在全球分成了100多個采購包,分配到中國的有12個。
在筑夢的路上,太鋼的科研團隊遇到了前所未有的挑戰。首先是人員的認識問題。這場“追夢旅程”從上世紀50年代開始,已經進行了半個多世紀,真正投入商用、變成每家每戶可以用的電,可能至少還需要幾十年。也就是說,這是一件“這輩子不一定能看見結果的事”。加上研發周期較長,一些人出現了畏難情緒。
太鋼集團副總柴志勇以及鋼管公司老領導田曉青的話至今鼓舞人心。一遇到不同意見,他們會先讓對方回答這么兩個問題:第一,這么大的國際科研項目,需要的板材特殊,太鋼不參與,誰參與?第二,“人造太陽”是造福全人類的清潔能源,是必須履行的國際義務,科技部不找太鋼,找誰去?
思想問題解決了,更難的是技術問題。以此次通過國際認證的L型鋼為例,6米長的兩根管子,發來的英文材料有112頁。技術人員必須看懂,并翻譯、溝通給工人。L型鋼是含氮不銹鋼,硬度非常高。在加工時,用力不夠就不能成型,而用力過猛,就很容易發生悶車現象:鋼板容易變成飛行的炮彈,穿透廠房,發生安全事故。無數個日日夜夜,通宵達旦地考證、研究和改良,半年后,2011年,太鋼宣布,L型鋼研制成功。得到這一消息后,“人造太陽”國際項目采購包的負責人及歐洲核子研究中心材料專家第一時間飛抵太原,拍照、采集數據,并將資料傳到《ITERNEWS》上。
“以前我們跟別人交流,是想看別人到底有什么成功的經驗。現在反過來,有很多國外同事向我們打聽,你們什么地方做得好。”張寶林說。
突破中國智慧在這里閃耀
在太鋼工業園區,記者見到了用于“人造太陽”的材料:L型、U型鋼板,以及部分擠壓件。站在“人造太陽”的示意圖前,張寶林對其主體結構進行了解說。
從外觀上看,除去外圍設施,“人造太陽”的主體部分是一個直徑和高度在29米的“大家伙”,相當于10層樓房那么高。太鋼此次參與的核心技術主要集中在校正場線圈以及其他零部件。那么,這些校正場線圈有什么用途呢?我們就要說到核聚變的發生條件。
核聚變的發生條件,必須是在超高溫或者超高壓的條件下。“人造太陽”的反應堆條件,需要1億攝氏度的高溫。而在地球上,這樣的溫度幾乎不能發生。因為人類迄今為止發現的耐高溫金屬鎢的熔點也只有3410攝氏度。
俄羅斯的研究組發明出了一種磁元素,解決了這一難題。它的原理相當于,用磁編織成了一個鳥籠子,里面發生上億攝氏度的高溫。在這種強磁場的條件下,為了保證一個中子也不泄漏出來,就用到了校正場線圈。它的主要作用是彌補強磁場。
通過示意圖記者看到,如果把人造太陽的主體比作一個巨型的易拉罐的話,太鋼參與制造的校正場線圈,則主要分布在蓋頂、蓋底以及周邊的外壁上。在頂部和底端,它呈現拼盤形狀,在內壁周圍,它像一個個獨立的瓦片一樣,包裹著強磁場。
制造出了超高溫的環境后,如何能讓這些材料承受“太陽”高溫,成了嚴峻的考驗。2016年,位于成都的西南物理研究院研制出的反應堆核心材料通過了國際認證,直接面對高溫聚變物質,被稱為反應堆的“第一壁”。
目標用50年時間讓“人造太陽”為人類服務
據介紹,人造太陽的材料生產主要分為四個階段:研發、國際認證、小批量采購和批量生產。前兩個階段一般長達數十年,在實驗室內進行。2月底,記者從太鋼方面獲悉,由太鋼制造的板材已通過了國際認證,進入了小批量采購階段。“人造太陽”項目一旦實現,人類能源枯竭問題將得到改善。和普通能源相比,核聚變清潔安全,能量巨大,用于核聚變的材料氘存在于海水中,一升海水中的氘聚變產生的能量相當于燃燒三百升汽油。只要往設備中不斷輸入氘和氚,在里面發生聚變反應,它就能源源不斷地釋放出能量,廉價而且數量豐富。“如果說,人類的火種來源于普羅米修斯的話,那么,人造太陽就是一次真正的盜天火,它將讓人類告別對地球母親敲骨吸髓式的能源掠奪,一勞永逸地解決能源問題。”張寶林說,人造太陽要經歷實驗堆、示范堆、商業堆三個階段,這個過程前后大約需要50年的時間。
通過50年的時間,再造一個太陽,用核聚變能把老百姓家的燈點亮。為了實現這個宏偉理想,數以萬計的科研工作者正在夜以繼日,付出不懈的努力。