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人造太陽照亮未來能源之路

   2017-07-11 安徽日報(bào)
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核心提示:7月3日夜晚,中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體所建設(shè)的世界首個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克(EAST)東方超環(huán)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的101.2秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約

7月3日夜晚,中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體所建設(shè)的世界首個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克(EAST)東方超環(huán)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的101.2秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束等離子體運(yùn)行,創(chuàng)造新的世界紀(jì)錄,這意味著人類向“人造太陽”目標(biāo)又邁進(jìn)一步。

核聚變能:不竭的清潔能源

東方超環(huán)又稱“人造太陽”,如果你來到中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體所的實(shí)驗(yàn)室,你就能一睹這個(gè)高11米、直徑4米、重達(dá)400噸的大科學(xué)裝置的風(fēng)采。它之所以備受關(guān)注,是因?yàn)榭茖W(xué)家們相信,通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置,人們將最終可以讓海水中大量存在的氘和氚在高溫條件下,像太陽一樣發(fā)生核聚變,為人類提供源源不斷的清潔能源。

核聚變是輕核(主要是氫的同位素氘和氚)聚合成較重的原子核,同時(shí)釋放出巨大能量的過程,太陽發(fā)光發(fā)熱和氫彈爆炸就是這樣的原理。太陽就是一個(gè)巨大的核聚變反應(yīng)裝置,太陽的中心溫度高達(dá)1500萬攝氏度,氣壓達(dá)3000多億個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,在這樣的高溫、高壓條件下,氫原子核聚變成氦原子核,并放出巨大能量。 “由于太陽是我們在自然界目前能看到的最大核聚變體,所以人們把能產(chǎn)生聚變能的托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置形象地稱為‘人造太陽’。 ”中國工程院院士李建剛說。

聚變能的特點(diǎn)是聚變反應(yīng)可釋放出大量的能量。在最好的情況下,每升海水中的氘聚變能夠放出的能量,相當(dāng)于燃燒300升汽油;一個(gè)百萬千瓦的核聚變電廠,每年只需要600公斤原料,但一個(gè)同樣規(guī)模的火電廠,每年則需要210萬噸燃料煤。

核聚變另一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是,聚變產(chǎn)物沒有放射性。 “與核裂變不同的是,核聚變的燃料和產(chǎn)物不具放射性,而且很容易通過取消核反應(yīng)條件終止反應(yīng),因此不存在失控、核泄漏及核廢料等安全問題。 ”李建剛告訴記者,由于聚變反應(yīng)需要的條件比較高,一旦發(fā)生事故,造成反應(yīng)的等離子體約束破裂,聚變反應(yīng)便會(huì)終止。因此聚變?nèi)剂系谋4孢\(yùn)輸、聚變電站的運(yùn)行都比較安全。

東方超環(huán):領(lǐng)跑“核聚變”研究

要實(shí)現(xiàn)像太陽內(nèi)部那樣的熱核聚變反應(yīng),必須把受控核聚變裝置內(nèi)的溫度加熱到上億度,這樣才會(huì)發(fā)生聚變進(jìn)而產(chǎn)生巨大的能量。然而要把上億度的高溫等離子體裝到普通的容器里,頃刻之間就能灰飛煙滅。怎么辦?科學(xué)家想到一個(gè)辦法——用磁的方法將這團(tuán)上億度的等離子體火球懸浮起來,在不與容器周邊的材料接觸的條件下,進(jìn)行加熱、控制,進(jìn)而成為“太陽”。

然而,現(xiàn)實(shí)操作異常復(fù)雜,因?yàn)閼腋∑疬@團(tuán)等離子體的火球不是普通的磁場,而是比地球南北極的磁場還要高兩萬倍以上的一個(gè)巨大磁場。除此之外,實(shí)現(xiàn)核聚變還需克服兩大難題。第一個(gè)難題是實(shí)現(xiàn)超導(dǎo):為了可以長久、穩(wěn)定發(fā)生聚變反應(yīng),就要實(shí)現(xiàn)電阻為零,要實(shí)現(xiàn)電阻為零,必須實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象,那就要把上億度的磁籠子懸浮在-269攝氏度的圓環(huán)里面。第二個(gè)難題是實(shí)現(xiàn)核聚變的可控:一旦聚變發(fā)生,會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波,即使被懸浮起來,它同樣與周邊材料有強(qiáng)相互作用,所以對可控范圍和時(shí)間要求務(wù)必精確到零點(diǎn)幾毫米、零點(diǎn)幾毫秒以下。

在上億度的空間里既要懸浮起來,還要同時(shí)防止沖擊波,難度可見一斑。解決第一個(gè)難題,首先需要用線圈使等離子體火球懸浮起來,控制它處于中心位置不偏離。其次,裝置內(nèi)要保持真空,減少能量損失。解決第二個(gè)難題的思路,是從材料上下手。在聚變裝置里面,匯集了當(dāng)今世界的各種極致技術(shù),而采用的材料也是世界上最硬的一種合金——鎢合金。

由中科院等離子體所自主設(shè)計(jì)、研制并完全擁有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的東方超環(huán),是世界上第一個(gè)非圓截面全超導(dǎo)“托卡馬克”實(shí)驗(yàn)裝置。它同時(shí)具有“超高溫”“超低溫”“超大電流”“超強(qiáng)磁場”“超高真空”等極限條件,它的成功建設(shè)和運(yùn)行是我國核聚變研究的里程碑式突破。

近年來,東方超環(huán)物理實(shí)驗(yàn)與工程建設(shè)穩(wěn)步推進(jìn),進(jìn)展喜人。 2012年,東方超環(huán)獲得超過400秒的2000萬度高參數(shù)偏濾器等離子體和穩(wěn)定重復(fù)超過30秒的高約束等離子體放電,創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)兩項(xiàng)托卡馬克運(yùn)行世界紀(jì)錄。 2016年,東方超環(huán)物理實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)電子溫度超過5000萬度,持續(xù)時(shí)間102秒的超高溫長脈沖等離子體放電,再次創(chuàng)新世界紀(jì)錄。

國際合作:共解“核聚變”難題

由歐盟、美、日、俄、中、韓、印七方共同承擔(dān)的國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER計(jì)劃,是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國際科研合作項(xiàng)目之一,其目標(biāo)是在和平利用聚變能的基礎(chǔ)上,探索聚變在科學(xué)和工程技術(shù)上的可行性。據(jù)介紹,高約束模是ITER的基本運(yùn)行模式,為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行并達(dá)到有效的偏濾器熱量排除,ITER將采用射頻波主導(dǎo)的低動(dòng)量注入運(yùn)行模式以及主動(dòng)水冷的鎢偏濾器結(jié)構(gòu)。而東方超環(huán)是目前世界上唯一具備這兩大特色且具有長脈沖運(yùn)行能力的全超導(dǎo)托卡馬克,其穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模式將為ITER和未來反應(yīng)堆提供重要參考。

東方超環(huán)的成功,使中科院等離子體所成為ITER計(jì)劃中國工作組最重要的單位之一。等離子體所承擔(dān)了ITER中國采購包近80%重要部件的研制任務(wù)。研究所科研團(tuán)隊(duì)推翻了原ITER電源和日本饋線設(shè)計(jì)方案并提出被國際專家組認(rèn)為合理可行的新設(shè)計(jì)方案(已被ITER采用)。等離子體所承擔(dān)的ITER部件研制實(shí)現(xiàn)100%國產(chǎn)化并以優(yōu)異的性能指標(biāo)通過國際評(píng)估,產(chǎn)品質(zhì)量100%滿足ITER要求。一些部件已交付至法國ITER現(xiàn)場,進(jìn)度在七方參與國家中居前列,創(chuàng)造多項(xiàng)第一。 ITER組織兩任總干事評(píng)價(jià)“中國在采購包研發(fā)生產(chǎn)方面領(lǐng)先于各方”。

中國在ITER建設(shè)的同時(shí),已經(jīng)開始規(guī)劃建設(shè)中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆CFETR。等離子體所目前已完成CFETR總體設(shè)計(jì)方案,并通過國際專家組評(píng)估。依托東方超環(huán)項(xiàng)目,等離子體所科研項(xiàng)目及其創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)于2006年和2013年兩度榮獲國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng),培養(yǎng)和凝聚了一批聚變領(lǐng)域優(yōu)秀工程技術(shù)、科研和管理人才,4位科學(xué)家當(dāng)選院士,多人入選國家杰出青年基金、百人計(jì)劃、千人計(jì)劃、萬人計(jì)劃領(lǐng)軍人才和拔尖人才等人才專項(xiàng)或擔(dān)任973、863項(xiàng)目首席科學(xué)家。與歐盟、美、日、俄、澳等近30個(gè)國家和地區(qū)建立關(guān)系,形成全方位、深層次的國際交流與合作。

穩(wěn)態(tài)高約束運(yùn)行模式是國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃的基本運(yùn)行模式,也是未來反應(yīng)堆需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。作為國際重要的長脈沖核聚變實(shí)驗(yàn)平臺(tái),東方超環(huán)全超導(dǎo)托卡馬克高約束放電時(shí)間實(shí)現(xiàn)百秒量級(jí)的突破,將為我國下一代核聚變裝置的建設(shè)和國際核聚變清潔能源的開發(fā)利用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。東方超環(huán)裝置實(shí)驗(yàn)運(yùn)行總負(fù)責(zé)人、中科院等離子體所研究員龔先祖說:“EAST具有ITER類似的先進(jìn)技術(shù),未來5年內(nèi)將是國際上唯一有能力開展超過百秒時(shí)間尺度的長脈沖高約束聚變等離子體物理和工程技術(shù)研究的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 ”

人類能否成功實(shí)現(xiàn)“人造太陽”的夢想? “一定能,因?yàn)槿祟愋枰?”中國工程院院士萬元熙表示,如果托卡馬克研究進(jìn)展順利,在本世紀(jì)就有可能建成民用核聚變示范電站。



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