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霍裕平 中国人造太阳的领头羊
2010-6-11 10:41:29     编辑:yuxuantang   文字大小:【】【】【】    【打印本页】【关闭本页

2009年9月28日,我国自行设计、研制的世界上第一个全超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置,在安徽合肥进行的首轮物理放电实验过程中,成功获得电流超过200千安、时间接近3秒的高温等离子体放电。这标志着世界上新一代超导托卡马克核聚变实验装置(俗称:人造太阳)已经正式投入运行,我国聚变研究向前迈出一大步。

物理学界的探索先驱

霍裕平院士曾与实验物理学家孟宪振合作,发展了强耦合共振系统的理论,完全解决了国际上关注的稀土离子引起铁氧体铁磁共振诸多特异反常的现象。1964年,霍裕平首先预言了激光输出存在不稳定区域。上世纪70年代初,他与杨国桢等专家合作,将泛函分析方法引入光信息学中,讨论了现代光学设计的基本问题——用全息光学系统实现任意光学变换的可能性,并发展了一些可能的具体设计途径。1978年,霍裕平在全国科学大会上获奖。

1980年,从美国回国的霍裕平开始领导中国科学院的核聚变研究工作,担任中科院合肥等离子体物理所所长,并兼中科院合肥分院院长。这期间,由他亲自组织的“有关螺旋磁场对托克马克等离子体影响”的一系列实验和理论研究工作,得到了中国科学院科技进步一等奖。上世纪90年代初,霍裕平抓住与俄罗斯合作的机会,亲自主持和组织建设了大型超导托克马克HT-7装置。HT-7装置于1994年年底建成,它是世界上第二个能成功开展高温核聚变实验的大型超导托克马克。1993年,他当选为中国科学院院士。

就在事业处于巅峰期时,1996年,58岁的霍裕平辞去中国科学院的职务,到郑州大学当了一名普通教授。在郑州大学,他亲自将凝聚态物理学科调整为材料物理学科,建设以研究铝合金为主的金属物理方向。十年来,研究工作取得了实质进展,并由此提出了一条在我国普遍提高铝合金性能的可能途径。同时,他领导将物理系核物理学科转向为主要面向农业和医学的核生物学,领导了离子束生物技术实验室的建设,以及小麦的离子束诱变育种和转基因的工作。十年来,在霍裕平的领导下,郑州大学物理系成为物理学科博士点、国家凝聚态物理重点学科、物理学科博士后流动站。

人造太阳是全人类的梦

提到霍裕平,就不能不提ITER计划。2003年年初,霍裕平被任命为中国参加ITER(国际热核反应堆)计划专家委员会首席科学家。在科技部领导及核聚变界的支持下,他以自己的学识和品格,再一次为我国核聚变研究事业做出了重大贡献。

在过去半个多世纪中,人类探索和平利用核聚变的道路漫长而又曲折。

公众对核能并不陌生。自1991年12月秦山核电站正式并网发电以来,中国已经建成及在建的核电机组已达11台。在全球范围内,根据国际原子能机构的统计,仅已经建成的核电机组就已经达到了441台,承担着全球超过17%的电力供应。

传统的核电站,其发电机理是核裂变反应,即类似铀、钚这些比较重的原子核,裂变成较轻的原子核并且释放出能量;核聚变则是反其道而行之,它通过将氘、氚(都是氢的同位素)等较轻的原子核,聚合成较重的原子核并释放出巨大能量。

传统的核电站有着致命的缺陷,其燃料——不管铀还是钚——都有很强的放射性。此外,废料的处理至今未有良策。铀矿石燃料在全球的储量也十分有限,以中国为例,按照目前推算,自有铀资源仅可以供40座百万千瓦的核电站运行50年左右。

相比之下,核聚变优点多多。不仅原料不具放射性,其燃料来源更可以用“近乎无穷无尽”来形容。以最容易发生的氘氚聚变反应为例。氘在海水中储量极为丰富,氚可以利用锂在反应堆中生成,而锂是地球上储量最为丰富的资源之一。
但是,把这种科幻般的想法真正付诸实现,其困难程度远远超出了科学界最初的预计。自从20世纪50年代以来,科学家一直在努力,但迄今仍未能取得决定性的进展。最大的难题在于,核裂变反应在室温状态下就可以进行,但核聚变——哪怕最容易的氘氚反应,也需要1亿度的高温才能发生。要知道,太阳表面的温度也才只有1000万度左右。

20世纪90年代中期,英国的一个大型托卡马克实验,实现了1.6万千瓦的聚变功率,这是一个很大的突破。虽然反应产生的能量仍然远小于启动所需要的能量,但从理论上以及实验上,人类终于看到了核聚变实现的曙光。其中最为关键的步骤,则是ITER计划。

ITER计划吸引了包括中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国等世界主要核国家和科技强国共同参与。也是迄今我国参加的规模最大的国际科技合作计划。


2003年2月18日,中国政府宣布投入10亿美元参与ITER计划的运作,这是迄今中国投入最大的国际大科学工程。参与该计划研究工作的包括中国科学院等离子体物理研究所、核工业西南物理研究院等中国研究机构,而ITER计划中国首席科ITER计划对人类未来发展意义重大。

中国科学院霍裕平院士曾向记者表示,ITER计划旨在解决人类未来能源问题,对人类发展具有非常重要的意义,这也是我国参加该计划最主要的考虑。

其次,我国参加该计划也有助于全面掌握有关知识,并培养有关领域科研队伍,从而成为首先实现热核聚变的国家之一,并在将来有能力自行设计建造下一代热核聚变“示范堆”。尽管此前有人担心我国与发达国家在该领域尚有一定差距,但参加该计划后的实践证明,我国完全有能力完成分配给我方的工作任务。

这是我国首次作为正式成员国参加国际大型科学合作计划,因此该合作项目从一开始就得到了党中央的高度重视,建造期间我国将投入40亿至50亿元人民币。

围绕着ITER的种种争议至今仍未平息,以绿色和平组织为首的国际性环保组织,一直是ITER坚定的批评者之一。他们认为,政府与其把钱投入到这种看不到确定希望的项目,不如用来发展风能等可再生能源。核科学家威廉姆·帕金斯(已故)也曾发表文章称:核聚变能也许永远不会到来,这“更多地是因为工程上的原因,而不是基本理论上的原因”,由于对材料近乎不可能达到的严苛要求,即使可以商用,其每千瓦装机容量的造价也将高达1.5万美元,这几乎相当于目前最昂贵的传统核电机组的造价的10倍以上。

对于来自各方的质疑,在霍裕平看来,任何科学探索都有风险,但“中国花进口一个传统核电站设备的钱投入到ITER中去,绝对是值得的”。他认为,中国的煤炭、石油等传统矿石资源走向枯竭的势头将不可逆转,风能、太阳能缺乏稳定性,一旦核聚变能够投入商用,其前景不可估量。“在这样的情况下,我们怎么能不早做准备?”

霍裕平强调,根本不可能按照目前ITER的造价来估算将来商用聚变电站的实际造价,“就像不能用法拉第时代的小电站价格,来估算现在的大型电站一样”。因为技术在不断进步,三四十年后,系统肯定会大为简化,而且电站的规模也是现在无法相比的。

在科技部公布的2005-2006年国家重点基础研究发展计划(973计划)项目清单中,由郑州大学霍裕平教授担任协调人的磁约束核聚变基础研究获得了最大额度的经费支持。

中国向热核聚变反应装置研发再投入5000万元人民币。此举旨在加速中国建造“人造太阳”的计划。

除了磁约束核聚变基础研究,高性能科学计算研究、青藏高原环境变化及其对全球变化的响应与适应对策、动物源性病毒跨种间感染与传播机制研究等重要项目也是的973计划的资助重点。本次资助项目达创记录的54项,总投入经费为14.59亿元,也为历年之最。

中国科学院等离子体物理研究所正在建造的新一代可控核聚变装置已花费2亿元。中国科学家在核聚变反应方面的研究是耗资100亿欧元的国际热核实验反应堆(ITER)计划的重要组成部分。

历程评述:
霍裕平,1937年出生。中共党员, 中国著名核物理学家。1959年毕业于北京大学物理系。郑州大学教授。长期从事理论物理研究工作,重要论文有《稀土离子对铁磁共振的影响》、《用光学方法实现一般线性变换》、《等离子体的静态稳定性》等,并发表专著《非平衡态统计物理》。自1982年起,任中国科学院等离子体物理研究所所长与合肥分院院长,长期领导中科院核聚变研究工作,并参与领导国家的核聚变研究。领导和组织了我国大型超导托克马克HT-7的建设,并是国家重大科学工程HT-7U计划的主要建议者。1993年当选为中国科学院院士。
霍裕平院士有很高的物理理论造诣,是我国理论物理界的权威之一,他深入研究了高温等离子体的物理过程,促使聚变—裂变混合堆纳入国家高技术发展规划,提出了用光学方法快速处理图象的可能性,他还首次系统地解释了稀土离子对铁磁共振的影响,推动我国相关领域的研究达到国际领先水平。(文/赵承)

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