后来居上,中国“人造太阳”超越美国,意味着什么

//作者 |李沛

平凡人的世纪

1942年5月8日,美国副总统亨利·华莱士发表了其一生中最伟大的演说:《平凡人的世纪》。

在这篇演说中,华莱士描绘了一个与”美国世纪”大异其趣的平凡人世纪图景,提出在挫败轴心国之后,美国等发达国家应该真心实意地分享科学技术成果,带动印度、中国等落后国家走上工业化道路,释放出现代人类文明成果的全部潜能,解放和发展生产力,普遍提高人民生活水平,华莱士半开玩笑地回忆起与苏联大使夫人李维诺夫的一次谈话,两人一致同意,这场战争的目的是确保世界上每个人每天能喝到一夸脱的牛奶。

这篇演说在二战军事斗争的至暗时刻,被翻译成20多国语言广为流传,极大鼓舞了盟国阵营民众的士气,而这位罗斯福的亲密助手和接班人,则因其亲共嫌疑在罗斯福第四任期被杜鲁门意外顶替,与总统宝座失之交臂,随后又因反对对社会主义阵营的遏制战略,逐步被排挤出华盛顿政坛。

《平凡人的世纪》直指人心的鼓动力,既来自免于匮乏、共同富裕的道德感召,也建基于美国国势上升期对科学技术改造自然伟力的信仰。

(美共党员、插画家雨果·盖勒特受华莱士讲话启迪创作的版画)

原子能,小小原子中蕴藏着取之不竭的磅礴能量,这一意象完美契合了1920到1950年代美国技术乐观主义思潮。

二战结束后,战争所催熟的种种科学技术成果,开始大规模转化为普通人能够享受到的新奇产品,走入美国中产阶级千家万户,如同今天万物互联愿景下,学界与商界对5G\6G技术及其应用场景的热情探索,原子能的商业应用也出现了许多脑洞大开的想法,从给孩子的放射能启蒙玩具,家用放射能花肥,到无限续航里程的核动力汽车。。。

1952年11月,在名为常春藤行动的实验中,美国人成功引爆了人类历史上第一个热核试验装置,验证了氢弹泰勒-乌兰构型的正确性,这一装置的爆炸当量约合1000万吨TNT,威力相当于700颗二战中摧毁广岛的小男孩原子弹,超过了第二次世界大战中使用的所有热兵器威力总和,直接从地图上抹掉了名为伊鲁吉拉伯礁的试验地。

氢弹试验的成功,证明人类踏入了神灵的殿堂,能够触碰到核聚变这一恒星级能量来源,这既加深了公众对核武器可能威胁人类文明存亡的忧虑,也引发了和平利用核聚变能量的第一个研究高潮。

(福特核动力汽车)

作为武器的氢弹,通常以核裂变链式反应,瞬时制造出两种轻核发生聚变所需的高温高压条件,而着眼于和平利用的受控核聚变,显然需要用核爆炸之外的其他方式来满足这一点火条件。

1953年起,在原子能委员会第二任主席,刘易斯·斯特劳斯的热情支持下,美国开始了代号舍伍德(sherwood)的核聚变反应堆工程研究,基于从原子弹到商用核裂变反应堆的发展经验,斯特劳斯自信满满地预测,也许是明天,也许是最晚十年之后,总之到1970年代,核聚变发电站将使能源变得过于廉价,以至于失去了核算意义(too cheap to meter)。

另一位高水平的战略家,哈德逊研究所创始人赫尔曼·卡恩则相信,可控核聚变带来的过剩能源,将使资本主义阵营的物质生活达到极大丰富,每一个普通人都将在未来享有今天百万富翁的生活水平,彻底消灭无产阶级,从而使美国在与社会主义阵营的冷战竞赛中最终胜出。

(美国早期受控核聚变研究的重要庇护者刘易斯·斯特劳斯)

舍伍德计划明确了可控核聚变的基本路径,即将轻元素燃料加热至恒星级的超高温度和压力并保持足够长时间,使轻原子核之间出现足够强度的聚变反应,以至于释放的巨大能量可使这一过程自我维持下去,维持平衡之外的过剩能量可为人类所利用。

要实现这个看似简单明了的设想,最大的难点很快浮现,那就是如何将加热至上亿摄氏度,处于等离子体状态的燃料容纳起来,约束在一个高压状态下,然而,地球上任何材料直接接触这一高温等离子团,都将瞬间气化,只有基于电磁力的强磁场约束具备工程实现可能。

在舍伍德计划中,同时铺开了仿星器、磁镜、箍缩等多种不同形式的磁约束技术路线研究,然而率先突破的却不是美国人。

1957年8月,英国大型箍缩装置ZETA启动,在其后的试验中测得大量中子,英国人据此认为该装置内的高温等离子体已经发生了聚变反应,次年1月,这一成果被广泛公布,作为应对苏联发射卫星震撼性影响的反宣传,被鼓吹为迈向无限能源的第一步,西方阵营在和平利用原子能上的领导力体现,不过仅仅四个月后,这一结果就被证实是高能等离子体不稳定运动所致,与核聚变无关。

ZETA丑闻对Z箍缩这一当时最主流技术路线声望的打击,以及同时期核聚变研究的热心倡导者,刘易斯·斯特劳斯卸任原子能委员会主席,使第一次可控核聚变研究的热潮悄然终结。

(我们的科学家击溃了俄国人—为和平)

驾驶地球

不过在东方,这次核聚变研究热潮及无限核能改天换地的技术乐观主义情绪,还有着深远的回响。

1964年2月的《科学大众》一刊中,中国科普泰斗林之光先生就撰文畅想了利用核聚变巨大能源改造地球气候的前景,通过在地球两极安装形如火山口的超级聚变发动机,有计划地改变地轴倾角,实现各大洲四季如春的理想,造福人类,更进一步,还可以通过大量聚变发动机来驾驶地球,优化地球环绕太阳的运行轨道,使地球气候更加有利于人类生产生活。

林之光先生流浪地球式的宏伟畅想其来有自,在当时,中国的可控核聚变研究已经有了一个初步的发展。

1955年10月8日,被软禁5年之久的钱学森一家通过深圳罗湖桥口岸,终于回到新中国,与他同行的还有李整武、孙湘这对博士夫妇以及他们刚刚满月的孩子。

李整武先生(因档案登记笔误,后改名李正武)回国后,很快提出了开展可控热核反应,也就是可控核聚变研究的倡议,在不久后公布的《1956-1967年科学技术发展远景规划纲要》中,正式列入了进行有关热核反应控制的研究这一内容,不过优先级还无法与核武器研究相提并论,并未马上开展实质性研究。

1957年末58年初星际航行(苏联卫星发射)与受控核聚变(英国ZETA装置)接踵而至的突破性进展及其地缘政治影响,刺激了中国科技与工业领域的大跃进热情,已经开展的科研项目指标越提越高,诸多还未开展研究的空白领域也顺势起步,1958年5月,中科院物理研究所内组建了第一室103组,由李正武夫人孙湘先生牵头,正式开始了中国可控核聚变的研究工作,中科院当年的《工作跃进计划》中明确提出,要在1961年内利用高电流脉冲放电的方法,制造出摄氏500万度以上的高温,这一指标显然是意图追赶上当时最先进的ZETA装置性能,同年10月,103组研究团队使用小型脉冲放电装置制造出的高温等离子体作为中科院国庆献礼重点成果之一,得到人民日报报道,被誉为人造小太阳。

(原子能所14室规划的大型聚变研究装置之一凌云,走仿星器技术路线)

除了中科院,在大家来办原子能科学的大跃进激情下,当时的国内核技术研究另一重镇、二机部原子能所也组建了第14研究室,开展可控核聚变研究工作,不仅如此,原子能所所长钱三强先生甚至倡议;各省市都搞一个反应堆和一个加速器,1958年11月 ,黑龙江省原子核物理研究所正式成立,依托哈尔滨地区良好的工业和院校环境,很快也开展起核聚变研究。

进入1959年,可控核聚变的研究被进一步提速,以中科院物理所为例,该所将人工控制热核反应列为重点项目,计划四年内达到实现人工控制热核反应,建立一种可控制热核反应方案,根据当时物理所制定的可控核聚变研究八年规划,最终目标是到1967年前后,将实现核聚变反应堆发电,且发电成本要低于水电站,这一目标甚至超过了当时最乐观的美国科研规划进度。

(大跃进中的核动力版东风-109战斗机方案)

脱离实际的规划在三年困难时期理所当然地遭受挫折,几家研究单位规划的大型装置很难得到经费支持,骨干人员如孙湘、王承书等学者也被调入两弹研制任务,可控核聚变研究实质进入了停顿状态,在这一阶段,调整、巩固、充实、提高的八字方针是主基调,1963年,整合了黑龙江原子核物理研究所等地方单位的东北技术物理研究所,被进一步划归二机部管理,中科院物理所核聚变研究组也正式撤销,1965年,在三线建设的形势下,二机部进一步将原黑龙江所与原子能所第14研究室的可控核聚变科研力量整合,在四川乐山筹建二机部585研究所(即日后的核工业西南物理研究院),成为中国可控核聚变研究的国家队。

在理顺了队伍之后,中国可控核聚变研究重新出发。

1966年4月,国家科委在哈尔滨召开了可控核聚变为主题的第三次全国电工会议,同意中科院物理所恢复核聚变研究,并明确了技术路线的分工,科研力量更强的二机部585所主攻当时最有前景的磁镜方向,中科院则承担箍缩类装置的开发。

1969年,负责585所筹建的李正武先生带领原14室全体人员南下,与前期抵达的原东北所职工会合,585所正式进入工作状态,孙湘先生也回到了李正武身边,这对博士伉俪从此心无旁骛地投身到了中国可控核聚变事业之中。

585所初期的科研重点放在了代号303工程的超导磁镜上,以今天的眼光来审视,这是一个相当有远见的研究思路,目前有数家美国私营企业也正在试图从这一方向突破小型核聚变堆,不过在当时,低温超导这一关键技术还远未成熟,严重拖累了303工程进展,同一时期,中科院的箍缩装置尽管率先实现了高温等离子体聚变中子的放出,但箍缩这一技术方向的未来前景更为渺茫。

(一个典型的托卡语环形)

托卡马克冲击波

就在一筹莫展之际,国际受控核聚变研究出现了新的突破,60年代末期,苏联长期独自坚持的托卡马克(Tokamak)磁约束技术路线对外公开了惊人的等离子体约束性能,并得到了英国研究团队的确认,为实现轻元素聚变的点火条件打开了新的想象空间,也因此掀起了第二波世界性的核聚变研发热潮,当时的美国科学界乐观地判断,基于托卡马克路线的核聚变反应堆将有望在1980年代中期开始发电。

(在70年代中期的托卡马克热潮中对核聚变发电的展望)

对于这一革命性的技术突破,国内的反应应该说相当敏锐。

1970年,中科院物理所当时的青年天才陈春先,率先提出了与中科院电工所正在开发的大型储能装置结合,建设强磁场环形热核反应实验装置(即托卡马克装置)的设想,在这位极具传奇色彩的人物多方奔走活动下,1972年10月4日,相关设想得到了周恩来总理的批示,总理指出受控热核反应研究应当两条腿走路,百家争鸣。

借助这股东风,1973年1月,中科院在合肥建立了受控热核反应研究实验站,1977年,代号八号工程的中大型托卡马克实验装置获批立项,定点合肥,中国科学院随后正式组建了等离子体物理研究所作为业主单位,中国可控核聚变研究四川、安徽双中心的格局初步成型。

(陈春先与其主持研制的中国第一台托卡马克装置CT-6)

也是在这一时期,作为老大哥的585所经过全所大讨论,毅然决定放弃已经投入多年的磁镜和仿星器技术路线,将科研重点放在托卡马克(当时称为‘环流器’)装置上,1973年,在李正武、孙湘夫妇的奔走努力下,代号451工程(二机部‘四五’期间第一号重点项目)的中型托卡马克装置正式上马。

1978年,与陈景润等人一道被特批晋升正教授的陈春先,启程赴美考察可控核聚变技术发展情况,访问美国期间,他被现代产业与前沿科学的紧密互动所深深震撼,托卡马克这一技术路线的前景是苏联人艰苦摸索出来的,然而一旦方向明朗,美国人却能够依靠齐全而雄厚的产业体系和高效的市场化资源配置,快速集成出大大小小一百多套托卡马克装置,遍地开花,迅速赶超了苏联水平。

陈春先从此成为了创新成果孵化硅谷模式的热心践行者,被誉为中关村下海第一人,1980年12月,陈春先拉着物理所的10多位学术骨干一起成立了北京等离子体学会先进技术发展服务部,这实际上是中关村第一家民营科技公司,陈春先的事迹被正面报道后,激励了一位名叫柳传志的中科院技术员下海创业,开启了另一段传奇。。。

相比起在第二次核聚变研究热潮中独领风骚的美国人,中国人的眼光和嗅觉丝毫没有落后,但薄弱的产业底子如同老迈的手脚无法配合意识,使中国托卡马克研究在前期仍然大大落在了世界水平的后面。

1979年,中国经济进入又一个调整阶段,在”调整、改革、整顿、提高”的新八字方针指导下,中科院的中大型托卡马克装置八号工程被迫下马,研制保障条件更好一些的585所中型环流器项目得以保留,并最终于1984年成功启动,被命名为中国环流器一号。

中国环流器一号的研制成功,只能说解决了从零到一的有无问题,其性能被含蓄地界定为在第三世界核聚变研究的装置建造、实验研究水平上处于领先地位,与主流大部队还有不小的差距。

(中型托卡马克装置中国环流器一号)

夺取圣杯

1991年,中科院等离子所与俄罗斯库尔恰托夫研究所达成合作协议,引进后者研制的T-7中型超导托卡马克装置,并会同俄方专家进行深度改造,最终于1994年建成了我国第一个超导托卡马克装置HT-7,其性能再进一步,毫无疑义地处于第三世界的领先地位,将接近国际聚变研究的前沿,也就是说,能够被主流学界看得上眼了。HT-7这一较大科研装置的建成,也使周恩来总理当年批示的,等离子所与核工业西南所的可控核聚变研究两条腿走路格局名副其实。

中国的可控核聚变研究水平,在两条腿协调地迈进中明显加速,HT-7建成后不久,西南所与德国方面达成协议,拆运德国退役的ASDEX中型托卡马克装置回国,以其两大主机部件和支撑系统为基础,辅助系统国内配套,于2002年底完成了中国环流器第二代装置HL-2A的建设,

在中国人一步步向上攀登的同时,美国人则如同龟兔赛跑中的那只兔子,亲手掐灭了自己在第二次核聚变研究浪潮中的势头。

1986年,耗费三亿多美元(相当于今天的近10亿美元)研制的劳伦斯利弗莫尔国家实验室巨型磁镜实验装置MFTF,在建成的第二天即被通知封存弃用,上峰给出的理由是为了平衡预算,这一闹剧折射出可控核聚变研究在美国业已政治化的困境。

自里根以降的共和党人,对于可能影响到油气生意大循环的可控核聚变,始终报有敌视态度,即便里根发起了最初的ITER国际聚变实验堆合作倡议,但着眼点也更多放在了粉饰形象的对外宣传价值上。

而在环保议题上日益极化的民主党,则将其政策主张与风电、光伏等分布式清洁能源路线深度捆绑,显然是由于这个圈子里的金主更加慷慨。于是打环保牌,本应大力支持核聚变研究的民主党阵营,反而也对可控核聚变加以妖魔化,例如公知名人杰里米·里夫金就曾感慨,可控核聚变将是我们星球上能发生的最糟糕的事情,取之不竭的能量会带来愚民群氓巨大的浪费,乃至加快耗尽地球的资源。(It’s the worst thing that could happen to our planet.)

在这种左右夹击的窘境里,美国可控核聚变研究本就不算很高的投入一次次缩水,70年代研究热潮中建成的大科学装置相继停用废弃,学者梯队也出现了青黄不接的现象。

(美国能源部的核聚变研究预算用来发工资都已经显得捉襟见肘)

而HT-7与HL-2A两个进入国际主流水平的托卡马克装置,则为中国可控核聚变事业赢得了大跃进的敲门砖。

2003年,中国以平等伙伴身份加入了即将开始实质性工程建设的国际聚变实验堆ITER计划谈判,2006年11月,正式签署了ITER计划协议书。

所谓平等伙伴,某种程度上可以用合伙拉网线来类比,出一部分资金,享受全部的功能。加入ITER后,中方将能够共享这一巨型托卡马克装置获得的各种研究成果,既包括受控核聚变各类科学现象及其控制手段,也包括一个巨型科学装置的项目管理规范等软科学成果,ITER为中方所分配的设备采购包,还有力带动起相关工业领域的产品、材料、工艺、标准进步。

2006年,中科院等离子所在合肥建设的先进实验超导托卡马克实验装置,简称EAST,正式投入使用,EAST较之上一代平台HT-7,综合性能有了大福提高,从进入国际主流水平跃进到了国际先进水平前列,作为世界上性能最好的托卡马克装置之一,承担起了为ITER进行先期验证实验的重任。

(目前的托卡马克装置性能中,EAST距离实现聚变自持的点火已经较为接近)

2009年,核工业西南物理研究院提出的中国环流器二号M(HL-2M)装置也获得批复立项,这台段位与EAST类似的装置,除了承担ITER等未来巨型反应堆的预研验证工作,更重要的用意在于消化ITER项目中得到的成果,通过走通一个同类大科学装置从设计到建造调试的完整过程,带动国内相关产业。

这正是经典的中国式科研方法论,集成创新跳跃与自主创新下蹲的黄金组合。

2020年12月4日,中国人自主设计建造的HL-2M装置在成都双流的西物院基地成功放电,标志着中国可控核聚变技术已经迈开双腿,稳稳站在了聚变技术的最前沿。

在HL-2M占据着媒体聚光灯中心位置时,中国可控核聚变已经又迈出了新的步伐,2019年,十三五规划中的十大超级科学实验装置之一,聚变堆主机关键系统综合研究设施(CRAFT)在合肥正式开工建设,这一研究设施将补足ITER原理验证堆与中国核聚变发电工程验证堆(又名CFETR)之间的最后一块拼图。

(CRAFT设施与包括ITER在内的几大实验装置,将为2030年代的中国核聚变工程试验堆铺平道路)

通过预研与试制、试验,储备超导磁体和偏滤器这两大核心系统的关键技术。降低未来核聚变电站的建设风险,该设施超越ITER的超强性能,还能够带动高能粒子与等离子体的基础科学研究,乃至深空推进技术探索。

(基于核聚变发动机的载人火星探测任务规划)

2030年前后,根据ITER和CRAFT所获得的成果,中国核聚变发电工程验证堆将正式投入运行,再经过20年左右的长期运行验证,2050年代,中国人将很有希望率先摘取人类科学事业的一个圣杯—实现受控核聚变的实用化、征服这一恒星级能量来源。

(美国国家科学院近期梳理的各大国核聚变发展规划,中国实用型聚变堆的规划进度最快)

永远在未来的虚假希望?

在美国反对核聚变研究的种种观点里,成本问题是最有杀伤力的一条。

按照美国人的测算,一个可能的核聚变发电厂,其发电成本充其量可以将将追平现有燃煤发电,并非公众幻想中点石成金,无本万利的生意,国内对聚变发电验证堆的建设成本估算,也达到了约150亿美元的惊人水平,超强磁场的承载材料、超高能等离子体的约束控制、聚变中子射流的防护。。。也都还有许多技术上的不确定性。

(对中国聚变工程验证堆CFETR造价的一种测算结果)

新世纪以来的第三波核聚变研究热潮,由于中国日益凸显的领导力,完全有可能一鼓作气实现工程突破,造福全人类,对其实际价值的种种质疑也将如同拿破仑战争老兵对马克沁机枪的不屑,在技术的飞速发展中被打碎,但也存在着另一种切实的可能,或许正如精致的知识分子所调侃的那样,可控核聚变已经超过了人类现有基础物理理论和应用技术的能力边界,最终将被证实是一个永远五十年后的虚幻应许。

如果是这样的话,核聚变研究就没有意义了么?

19世纪大英帝国的鼎盛时期,查尔斯·巴贝奇这位发明家提出了分析机( Analytical Engine)的天才概念,几乎具备了输入,输出,处理器,内存,缓存等现代计算机的所有架构特征,所不同的是,这是一台蒸汽机驱动的机械装置。

巴贝奇的分析机研究超出了第一次工业革命所能提供的技术空间,最终这位已经走火入魔的发明家带着深深的遗憾离开人世,分析机的研究无果而终,然而巴贝奇的著作和活动,却仍然在英国科技史上留下了深深的印痕,并在其后催生出了技术目标更为节制,也更有里程碑意义的计算科学、信息科学成果,如开尔文爵士的潮汐预测仪及其对海底电缆通信带宽概念的早期摸索。

1937年,美国发明家霍华德·艾肯(Howard Aiken)受到了查尔斯·巴贝奇分析机理念的极大影响,立志将其实现,在他的游说下,IBM公司为其提供了经费支持,最终,巴贝奇的理念没有通过第一次工业革命的蒸汽蛮力,而是通过20世纪全新的机电技术得到了巧妙而又彻底的实现。

霍华德·艾肯研制的这台大型机电计算机获得MARK I代号,是美国历史上第一台可编程通用计算机,为运行这台机器,也诞生了美国历史上最早的一批程序员,这台机电计算机运算时机械作用夹住的一只飞蛾,为其后的计算机文化贡献了BUG这个永恒的术语。

(现代计算机中的第一个BUG以及DEBUG记录)

中国人对于科技发展的这一辩证规律有着深刻的洞察,我们愿意苦干,但也同样注重巧干。中国受控核聚变的投入,同样并不只瞄准遥远的未来空想,而是已经产生了丰厚的现实回报。

例如为参与ITER项目发包而成立的西部超导材料科技股份有限公司,不但已经拿下了ITER低温超导材料的大部分全球订单份额,相关技术能力还辐射到了其他细分领域,打入了核磁共振(MRI)低温超导材料这一市场,突破了国外竞争对手的垄断。

西部超导公司的聚变业务,还带动了其钛合金加工技术的发展,成为我军新一代作战飞机钛合金棒材的独家供应商。

中国托卡马克聚变装置的先驱者,传奇人物陈春先于2004年不幸病逝,他下海后的创业远没有达到柳传志等中关村后辈的高度,但是可堪告慰的是,他开启的中国托卡马克事业,在今天已经站在了世界最前沿。

或许更有意义的是,陈春先在美国国势巅峰期所亲眼目睹,并且终其一生试图实现的那种产业与科研、市场与行政有机结合,良性循环,生机勃勃的科技进步环境,已经在今天的中国实现了。

event_note 10月 27, 2022

account_box 海归 回国

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