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2017年07月11日 星期二
国内统一刊号:CN34-0001
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人造太阳照亮未来能源之路

中科院等离子体所科学家正在调试全超导托卡马克实验装置。本报记者 徐昊 摄

本报记者 汪永安

  7月3日夜晚,中科院合肥物质科学研究院等离子体所建设的世界首个全超导托卡马克(EAST)东方超环实现稳定的101.2秒稳态长脉冲高约束等离子体运行,创造新的世界纪录,这意味着人类向“人造太阳”目标又迈进一步。

核聚变能:不竭的清洁能源

  东方超环又称“人造太阳”,如果你来到中科院合肥物质科学研究院等离子体所的实验室,你就能一睹这个高11米、直径4米、重达400吨的大科学装置的风采。它之所以备受关注,是因为科学家们相信,通过这个实验装置,人们将最终可以让海水中大量存在的氘和氚在高温条件下,像太阳一样发生核聚变,为人类提供源源不断的清洁能源。

  核聚变是轻核 (主要是氢的同位素氘和氚)聚合成较重的原子核,同时释放出巨大能量的过程,太阳发光发热和氢弹爆炸就是这样的原理。太阳就是一个巨大的核聚变反应装置,太阳的中心温度高达1500万摄氏度,气压达3000多亿个标准大气压,在这样的高温、高压条件下,氢原子核聚变成氦原子核,并放出巨大能量。 “由于太阳是我们在自然界目前能看到的最大核聚变体,所以人们把能产生聚变能的托卡马克核聚变实验装置形象地称为 ‘人造太阳’。 ”中国工程院院士李建刚说。

  聚变能的特点是聚变反应可释放出大量的能量。在最好的情况下,每升海水中的氘聚变能够放出的能量,相当于燃烧300升汽油;一个百万千瓦的核聚变电厂,每年只需要600公斤原料,但一个同样规模的火电厂,每年则需要210万吨燃料煤。

  核聚变另一个突出优点是,聚变产物没有放射性。 “与核裂变不同的是,核聚变的燃料和产物不具放射性,而且很容易通过取消核反应条件终止反应,因此不存在失控、核泄漏及核废料等安全问题。 ”李建刚告诉记者,由于聚变反应需要的条件比较高,一旦发生事故,造成反应的等离子体约束破裂,聚变反应便会终止。因此聚变燃料的保存运输、聚变电站的运行都比较安全。

东方超环:领跑“核聚变”研究

  要实现像太阳内部那样的热核聚变反应,必须把受控核聚变装置内的温度加热到上亿度,这样才会发生聚变进而产生巨大的能量。然而要把上亿度的高温等离子体装到普通的容器里,顷刻之间就能灰飞烟灭。怎么办?科学家想到一个办法——用磁的方法将这团上亿度的等离子体火球悬浮起来,在不与容器周边的材料接触的条件下,进行加热、控制,进而成为“太阳”。

  然而,现实操作异常复杂,因为悬浮起这团等离子体的火球不是普通的磁场,而是比地球南北极的磁场还要高两万倍以上的一个巨大磁场。除此之外,实现核聚变还需克服两大难题。第一个难题是实现超导:为了可以长久、稳定发生聚变反应,就要实现电阻为零,要实现电阻为零,必须实现超导现象,那就要把上亿度的磁笼子悬浮在-269摄氏度的圆环里面。第二个难题是实现核聚变的可控:一旦聚变发生,会产生强烈的冲击波,即使被悬浮起来,它同样与周边材料有强相互作用,所以对可控范围和时间要求务必精确到零点几毫米、零点几毫秒以下。

  在上亿度的空间里既要悬浮起来,还要同时防止冲击波,难度可见一斑。解决第一个难题,首先需要用线圈使等离子体火球悬浮起来,控制它处于中心位置不偏离。其次,装置内要保持真空,减少能量损失。解决第二个难题的思路,是从材料上下手。在聚变装置里面,汇集了当今世界的各种极致技术,而采用的材料也是世界上最硬的一种合金——钨合金。

  由中科院等离子体所自主设计、研制并完全拥有知识产权的东方超环,是世界上第一个非圆截面全超导 “托卡马克”实验装置。它同时具有 “超高温”“超低温”“超大电流”“超强磁场”“超高真空”等极限条件,它的成功建设和运行是我国核聚变研究的里程碑式突破。

  近年来,东方超环物理实验与工程建设稳步推进,进展喜人。 2012年,东方超环获得超过400秒的2000万度高参数偏滤器等离子体和稳定重复超过30秒的高约束等离子体放电,创造了当时两项托卡马克运行世界纪录。 2016年,东方超环物理实验实现电子温度超过5000万度,持续时间102秒的超高温长脉冲等离子体放电,再次创新世界纪录。

国际合作:共解“核聚变”难题

  由欧盟、美、日、俄、中、韩、印七方共同承担的国际热核聚变实验堆ITER计划,是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一,其目标是在和平利用聚变能的基础上,探索聚变在科学和工程技术上的可行性。据介绍,高约束模是ITER的基本运行模式,为实现稳态运行并达到有效的偏滤器热量排除,ITER将采用射频波主导的低动量注入运行模式以及主动水冷的钨偏滤器结构。而东方超环是目前世界上唯一具备这两大特色且具有长脉冲运行能力的全超导托卡马克,其稳态运行模式将为ITER和未来反应堆提供重要参考。

  东方超环的成功,使中科院等离子体所成为ITER计划中国工作组最重要的单位之一。等离子体所承担了ITER中国采购包近80%重要部件的研制任务。研究所科研团队推翻了原ITER电源和日本馈线设计方案并提出被国际专家组认为合理可行的新设计方案(已被ITER采用)。等离子体所承担的 ITER部件研制实现100%国产化并以优异的性能指标通过国际评估,产品质量100%满足ITER要求。一些部件已交付至法国ITER现场,进度在七方参与国家中居前列,创造多项第一。 ITER组织两任总干事评价“中国在采购包研发生产方面领先于各方”。

  中国在ITER建设的同时,已经开始规划建设中国聚变工程实验堆CFETR。等离子体所目前已完成CFETR总体设计方案,并通过国际专家组评估。依托东方超环项目,等离子体所科研项目及其创新团队于2006年和2013年两度荣获国家科学技术进步奖一等奖,培养和凝聚了一批聚变领域优秀工程技术、科研和管理人才,4位科学家当选院士,多人入选国家杰出青年基金、百人计划、千人计划、万人计划领军人才和拔尖人才等人才专项或担任973、863项目首席科学家。与欧盟、美、日、俄、澳等近30个国家和地区建立关系,形成全方位、深层次的国际交流与合作。

  稳态高约束运行模式是国际热核聚变实验堆计划的基本运行模式,也是未来反应堆需要解决的关键科学问题。作为国际重要的长脉冲核聚变实验平台,东方超环全超导托卡马克高约束放电时间实现百秒量级的突破,将为我国下一代核聚变装置的建设和国际核聚变清洁能源的开发利用奠定坚实基础。东方超环装置实验运行总负责人、中科院等离子体所研究员龚先祖说:“EAST具有ITER类似的先进技术,未来5年内将是国际上唯一有能力开展超过百秒时间尺度的长脉冲高约束聚变等离子体物理和工程技术研究的实验平台。 ”

  人类能否成功实现“人造太阳”的梦想? “一定能,因为人类需要。 ”中国工程院院士万元熙表示,如果托卡马克研究进展顺利,在本世纪就有可能建成民用核聚变示范电站。