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創多項世界紀錄 人造太陽為開發核聚變能源探路

來源:  人民網-人民日報       作者:劉詩瑤      發布時間:2021-4-19 11:06  |  

眼下,合肥科學島春光無限、生機盎然。小島的中間地帶,矗立著一座外形酷似宇宙飛船的大樓——中國科學院合肥研究院等離子體所;大樓深處,有一個大科學裝置——全超導托卡馬克核聚變實驗裝置(中文名為東方超環,簡稱EAST),俗稱“人造太陽”。

這座由我國自主設計、自主建造的核聚變實驗裝置,多次創造出等離子體運行的世界紀錄,代表著我國磁約束聚變研究在高溫等離子體運行物理和工程方面的研究水平,為全人類開發利用核聚變清潔能源奠定了重要的技術基礎。

“人造太陽”長什么樣?何時能造福人類?前不久,記者進行了實地探訪。

一旦人類掌握了核聚變能,將擁有可使用上百億年的清潔能源

盡管提前做了一些功課,當真正來到“人造太陽”面前,這個龐然大物依然讓人震撼。裝置主體高11米、直徑8米、重達400噸,周圍供電、冷卻等輔助設備林立。其核心結構是一個像面包圈的環形磁容器“托卡馬克”。

探訪當天,“人造太陽”并未進行實驗。大約十幾名科研人員手持檢測工具,在裝置主體上下攀爬,進行設備維護和更新。裝置零件數量巨大,材料和工藝完全依靠自主研發。從2006年建成至今,裝置每年都會進行保養和零部件更新換代,確保實驗的順利進行。

俗話說萬物生長靠太陽。在太陽內部無時無刻不在發生著核聚變,為大自然帶來最普遍的能量來源。所謂“人造太陽”,是指充分利用這個科學原理,在地球上建造一套核聚變裝置,像太陽一樣發生核聚變反應,從而源源不斷地產生能量。嚴格意義上講,“人造太陽”的稱謂并非專屬于東方超環,凡是應用了類似原理的裝置,都能這么稱呼。

“人造太陽”重要性體現在哪里?

這要從核聚變能的優點說起。相比核裂變,核聚變沒有放射性。氘和氚反應的生成物是氦氣,對環境無害,一旦造成反應的等離子體熄滅,聚變反應會終止。核聚變的原料儲量也很豐富,氘可以直接在海水中提取,氚則可以通過中子和鋰反應產生。據估算,一升海水中提煉出來的氘經過核聚變反應釋放出的能量相當于300升汽油完全燃燒釋放的能量。核聚變能憑借資源無限、清潔環保,不產生高放射性核廢料等優點,是目前認識到的、可以最終解決全球能源問題的重要途徑之一。一旦人類掌握了核聚變能,將擁有可使用上百億年的清潔能源。

東方超環這座大科學裝置對實現核聚變能有什么貢獻?

中科院合肥研究院副院長、等離子體所所長宋云濤介紹,這座大科學裝置的科學目標,正是從前期基礎研究出發,對受控核聚變相關的前沿物理問題展開探索性實驗研究,既著眼物理理論突破,同時驗證工程上的可行性,為將來打造真正的商業聚變堆、電站打下基礎。

太陽發生核聚變,主要依靠星球引力約束等離子體。可地球上沒有那么大引力,要想讓能量不失控,就需要借助磁場來約束。受控熱核聚變的實現離不開超高溫、超低溫、超強磁場、超大電流、超高真空的極限環境,科學家們用磁場做成“托卡馬克”這座“磁籠”,牢牢將高溫物質控制住,磁場外面用真空隔絕,保護裝置材料不被燒毀。

盡管主流可控核聚變方式不止有磁約束這一種,還有慣性約束、引力約束等,但磁約束在實驗室條件下接近成功,也是國際上主流的研究方向。因此,托卡馬克核聚變實驗裝置被公認為是探索、解決未來穩態聚變反應堆工程及物理問題的最有效的途徑,是地球尋找聚變能源出路的希望。

在東方超環這座大科學裝置的牽引下,衍生出一系列創新成果

從5000萬攝氏度放電30秒至60秒,再到百秒,再到1億攝氏度運行20秒……東方超環不斷刷新著放電紀錄。如果能較長時間維持1億攝氏度的高溫,實現接近1000秒的放電時間,將證明人類距離解決核聚變商業化應用的步伐更進一步。

每一秒的增長,在科學上都具有極高的難度,背后是科研人員夜以繼日的鉆研和嘔心瀝血的付出。

實現受控熱核聚變和穩態約束等離子體,是國際共性科學難題。根據物理學理論“勞森判據”,核聚變點火條件包括核聚變燃料的溫度、密度和約束時間這三個要素。據等離子體所博士鄢容介紹,想實現聚變反應,首先要達到1億攝氏度以上,使聚變燃料完全電離,并在保證等離子體密度的前提下,將高溫等離子體維持相對足夠長的時間,不泄露不逃逸,才可能釋放出足夠多的能量。托卡馬克的高溫物質,就像是一群正在嬉戲打鬧的淘氣孩子,很難控制。溫度、密度、時間這三個要素缺一不可,相互協調到最佳狀態,才能實現穩態約束。

除了科學實驗難度高,作為集成系統,這個裝置對工程配合要求也極高。據了解,整個大科學裝置總共有48個窗口,零件數量相當于5架波音777飛機的零件總和。短短的數十秒運行中,任何一個零件失靈,任何一滴不該出現的水珠,任何一個停滯的環節,都會導致實驗風險。科研人員不舍晝夜地實驗、調試,就是希望能更精確掌握等離子體的基本特性,研究改進磁籠子的形態和性質,在看似雜亂無章的現象中發掘科學規律,提出長時間等離子體穩定約束的最佳運行方案。

大科學裝置集高精尖技術于一身,其承載的意義早已不止追求科學目標本身。在東方超環這座大科學裝置的牽引下,衍生出了一系列重要的創新成果,形成了超導技術、低溫技術、等離子體技術、生物技術、材料技術、機器人技術等多個產業技術板塊,推動一大批高新技術成果實現轉移轉化,實現了“一路摘瓜”“沿途下蛋”。

比如,質子和重離子放療是目前國際公認最尖端的放射治療技術,一直被發達國家所壟斷。等離子體所利用大科學裝置的超導技術,積極研制國內首套具有自主知識產權的醫用超導質子癌癥治療系統,將大幅降低患者治療費用。

此外,等離子體還能治療皮膚病,有廣譜抗菌、加速凝血、促進細胞增殖、無耐藥性及副作用等優點;等離子體所將大科學裝置離子束技術引入生物學科,致力于微生物新菌種的創制、發酵調控、產物分離分析及終端產品的研究和產業轉化。

據介紹,我國的核聚變研究與國際基本同步,甚至在聚變某些技術領域確立了領跑地位,在超導、穩態控制、加熱等方面鞏固了中國特色。有國外期刊稱贊“中國創造了聚變歷史”“在這里科學價值得到極大體現”。

以東方超環項目為依托,科研人員參與了目前全球規模最大的國際科研合作項目

在國際科技合作方面,東方超環作為國際磁約束聚變裝置中最前沿的國際開放平臺之一,積極開展國際聯合實驗,促進了全面開放共享。

更重要的是,以這個項目為依托,我國科研人員參與了目前全球規模最大、影響最深遠的國際科研合作項目ITER(國際熱核聚變實驗堆計劃)。該計劃的目標是在和平利用聚變能的基礎上,探索聚變在科學和工程上的可行性。包含中國在內的多個國家參與了這個國家大科學項目,舉多國合力向受控聚變實驗堆邁進。

“東方超環很像ITER的縮小版,運行模式也都是采用了長脈沖高約束。我國科研人員在這個裝置上摸爬滾打這么多年,每個材料都摸過,每個環節都練過,真正積累了等離子體運行的實際經驗,能在科學原理和工程建設上為ITER提供寶貴參考經驗。”宋云濤說。

當前,我國承擔了ITER10%左右的采購包,其中七成由中科院合肥研究院等離子體所承擔。科研人員勇于擔當,直接爭取到ITER最重要的核心設備“超導磁體”的建造任務。這個任務風險很大,但科研人員不畏艱難,高效高質交付了18個采購包制造內容,涵蓋了ITER裝置幾乎所有關鍵部件, 由上百家科研院所和企業承擔。大電流高溫超導直流電纜、脈沖高壓變電站首臺主變壓器……自主研發的各項設備運到歐洲,獲得了合作伙伴的高度認可。也正因為他們的出色表現,我國直接拿下了整個裝置的總裝任務。2020年10月,ITER計劃啟動主體安裝工作,我國科研人員恪守承諾,確保安裝進度正常。

參與ITER項目十幾年,我國科研團隊獲得了深度參與國際科研合作項目的機會,積累了建造“人造太陽”的經驗,在材料科學、超導技術等領域研發能力得到進步,為中國建造聚變工程實驗堆(CFETR)奠定了基礎。

“許多研究物理的年輕人通過在ITER的歷練,開闊了眼界,鍛煉了本領,回國后成為‘挑大梁’的骨干。”宋云濤說,許多與合肥院合作的國內企業,在生產超導材料、打造零部件方面達到水平一流,積累了國際工程管理、國際合作經驗;一些企業甚至走出國門,拿到了國際訂單。

“作為東方超環的科研團隊,我們感到責任重大、使命光榮。近期,我們希望通過努力,向超高溫度更長時間的放電努力,產出一批原創性、戰略性、集成性創新成果;長期而言,我們盼望著能夠實現大科學裝置能量輸出大于輸入,爭取在2040年前后建成聚變電站,讓千家萬戶早日用上核聚變能源,實現清潔能源夢想。”宋云濤說。

(編輯:王星

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