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我国核聚变水平已进入世界领先方阵,钢铁侠战

“人造太阳”装置中的等离子体的温度可以达到1亿度以上,那比太阳的温度都要高上10倍,目前没有任何已知材料能抵挡这样的温度。

核工业西南物理研究院院长 刘永:我国核聚变水平已进入世界领先方阵

近期最火的电影要属《复仇者联盟4》,贯穿该系列多部作品的人气角色——钢铁侠的命运,牵动着亿万粉丝的心。你知道吗?为钢铁侠战甲提供能源的“方舟反应炉”并不仅仅是科幻,它在现实生活中的原型就是受控核聚变装置。

而全世界科学家正在共同努力的,是让这股能量变得可控——受控核聚变到底有何魔力,竟吸引全世界最聪明的“普罗米修斯”们竞相“盗火”?

■本报记者 陆琦

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“核聚变能是人类最理想的能源,而相关研究则是科学界最具挑战性的课题之一。”近日,核工业西南物理研究院院长刘永接受《中国科学报》记者采访时如是说。

中国环流器二号A聚变实验装置全景图。(核工业西南物理研究院供图)

氢弹爆炸人造太阳理想的“未来能源”

聚变是裂变相反的核反应形式,由较轻的原子核聚合为较重的原子核,同时释放出巨大的能量。太阳发光发热和氢弹爆炸就是这样的原理。

被称为未来能源的核能,主要有核裂变能和核聚变能两种形式。前者早已因各地兴建的核电站走进千家万户,而后者因其复杂的反应条件和更高的技术要求,至今仍处于实验阶段。由于与太阳发光发热的原理相同,受控核聚变实验装置又被称为“人造太阳”,是人类寻找能源出路的希望。

上世纪三四十年代,随着核裂变技术的实践和核聚变反应的发现,同样建立在爱因斯坦质能方程E=mc²上的核聚变反应就开始被视为取之不尽用之不竭、安全且清洁的“未来能源”。

刘永介绍,核聚变的原料储量丰富,主要是存于海水中的氘,1升海水提取的氘所能产生的聚变能量相当于300升汽油。

记者了解到,在开发核聚变能源的路上,中国已从“追赶者”“并跑者”,成长为具备强大国际输出能力的“领跑者”。科学家们数十年艰辛“逐日”,就是盼望核聚变能点亮的第一盏灯在中国。

其原因是,与依靠链式反应产生能量的核裂变相比,核聚变反应发生在原子核发生聚变时使部分质量转化为能量释放,而它所使用的原料在自然界中储备丰富且没有放射性——氘——氢的同位素,其在海水中几乎取之不尽。

“作为反应物的氘和作为反应产物的氦都是没有放射性的。”刘永表示,由于其固有的安全性、环境的友好性、燃料资源的丰富性,核聚变能被认为是人类最理想的能源。

核聚变为何这样难以控制,我们已经取得了哪些进展?日前,记者参加国务院国资委新闻中心组织的“科幻作家走进新国企”活动,来到位于四川省成都市的中核集团核工业西南物理研究院,探访核聚变研究的前世今生。

之所以这样说,是因为在海洋中每6500个氢原子就有1个氘原子,也就是说仅在一升海水中就有1.03×10^22个氘原子,即每1Km3海水中氘原子所具有的潜在能量相当于燃烧13600亿桶原油的能量,这个数字约为地球上蕴藏的石油总储量。

早在上世纪50年代初,人类就实现了聚变核反应,即氢弹爆炸。但氢弹瞬间的猛烈爆炸是无法控制的。要把聚变时释放出的巨大能量用于社会生产和人类生活,必须对剧烈的聚变核反应加以控制。

寻找理想的终极能源

而从一升海水中提出的氘,在完全的聚变反应中则可以释放相当于燃烧300升汽油的能量。而这一切的发生并不会产生具有放射性的核废料。托卡马克让人造太阳无处可逃的磁笼子

刘永表示,核聚变反应需要上亿度的高温,如此高的温度是人类目前所有加热方法都难以达到的。同时,如果要使高温等离子体中核聚变反应持续进行,上亿度的高温必须长时间维持并约束在有限的空间中。另外,超过万度以上的气体是不能用任何材料构成的容器约束而使之不飞散的,因此必须寻求某种途径,防止高温等离子体逃逸或飞散,使其保持足够高的密度。

能源危机被认为是人类社会发展面临的最大难题。地球上的煤炭、天然气、石油等化石能源终将枯竭,人类未来的命运聚焦在寻找更加持久的清洁能源上。

上世纪五十年代,前苏联莫斯科库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人发明了一种环形装置,通过约束电磁波驱动,创造氘、氚实现聚变的环境,并实现人类对聚变反应的控制。

几十年来,科学界一直在为实现受控热核聚变反应的苛刻条件而不懈努力。2006年,中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国七方正式签署实施国际热核聚变实验堆计划。七方超35个国家在法国南部参与建造世界上最大的托卡马克型聚变实验堆。

100多年前,爱因斯坦提出了著名的质能转换公式E=mc2,揭开了核能的面纱。

这种装置被命名为托卡马克,来源于环形、真空室、磁、线圈,用以指代环形磁约束受控核聚变实验装置,中文又称其为环流器。

托卡马克,俗称“人造太阳”,是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器。科学家将氘和氚两种元素注入热核反应实验堆的环形真空室,加热到1亿度以上的高温,也就是太阳温度的10倍左右,形成高温等离子体,从而激活热核聚变反应。

当前,核电站利用的核能都是核裂变——由较重的原子核裂变成较轻的原子核,从中释放出能量。然而,铀矿的储量有限,长远看难以满足人类的需求。

托卡马克就像一座为人造太阳量身打造的磁笼子,把核聚变产生高温高压等离子体约束在无形的磁场中。

刘永介绍,全球有大量的研究机构和企业在为ITER计划制造相关组件。其中,中国承担了ITER装置9%的采购包制造任务。

核聚变的过程正相反,而且单位质量下释放的能量比裂变高得多。太阳的光和热,就来源于氢的同位素氘和氚在聚变成氦原子过程中释放出的能量。

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核工业西南物理研究院承担了中方采购包任务中的所有涉核部件。日前,该院完成的第一壁半原型件在全世界率先通过高热负荷测试,这标志着我国在规模化制作ITER第一壁技术上迈进了一大步。第一壁是ITER装置核心部件,在运行时直接面对上亿摄氏度的等离子体,保护外围部件和设备。

“与核裂变相比,核聚变的安全性高,废料处理成本低,原料更易获得。”核工业西南物理研究院院长刘永告诉记者,氘在海水中储量极为丰富,氘氚反应产物没有放射性,核聚变反应堆不会产生污染环境的硫、氮氧化物及温室气体。

2018年11月14日拍摄的全超导托卡马克装置EAST

“通过参加ITER计划,使中国的核聚变水平进入到世界领先方阵。”刘永说,“现在我们自己设计、建造的实验装置已处于国际领先水平,比如核工业西南物理研究院的中国环流器二号及其升级版(HL-2A/HL-2M)、中科院等离子体物理研究所的东方超环等,这些装置使我国可以与国际一流的聚变实验室平等交流、对话。”

有计算表明,从一升海水中提取出的氘,在完全的聚变反应中可释放相当于燃烧300升汽油的能量。海洋中蕴藏了约40万亿吨氘,理论上用于聚变反应释放的能量足够人类使用上百亿年,几乎无穷无尽。

目前,托卡马克装置中等离子体约束已取得明显效果,等离子体温度可达到上亿度,意味着产生核聚变能量的科学可行性已经被证实了。

据悉,目前ITER计划已经进入到准备安装阶段。按照最新计划,国际热核聚变实验堆将在2025年12月产生第一束等离子体,2035年实现满能量热核聚变实验。“从目前的情况看,核聚变能走向实际应用还有很长的路要走。”刘永坦言。

这意味着,如果受控核聚变能大规模实现,将从根本上解决人类的能源危机。聚变能源,就是人类梦寐以求的安全经济高效持久能源。

然而,实验相关成果都是以短脉冲的形式产生,距离可连续运行的商用反应堆还有很大的距离。同时,反应的自持力也有待验证——自持指反应发出的能量可供应其自身运行所需的能量。托卡马克也还有很长的路要走。ITER计划中国承担9%研发

《中国科学报》 (2017-12-20 第4版 综合)

我国于上世纪90年代制定了热堆、快堆、聚变堆的“三步走”核能发展战略。其中,热堆与快堆都是裂变反应。目前,我国自主研发的“华龙一号”是第三代核电技术,处于核能第一步与第二步的衔接阶段。为了实现第三步,科学家们已投入半个世纪时间去探索研究。

2006年,中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯及美国七方共30多个国家共同启动国际热核聚变实验堆计划,也称ITER计划,是目前国际上规模最大的国际大科学工程计划之一。是为解决人类未来能源问题而开展的重大国际合作计划,目的是建造托卡马克型聚变实验堆。

追逐太阳的中国“聚变人”

其中,中国承担了9%的研发任务,覆盖了ITER的部分核心部件研发。目前,中国的采购包不管是研发的进度还是完成的质量,都走在世界的前列。

来到成都前,记者设想的核聚变实验装置是藏在深山或埋在地下的。没想到,它就在成都市区核工业西南物理研究院的大楼里。

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在占地面积上百平方米、三层楼高的实验室里,第二代中国“人造太阳”——中国环流器二号A聚变实验装置首次对作家和媒体同时开放。“开发核聚变能源,造福子孙后代”的标语贴在墙上,各种管线、机柜围绕在一个巨型环状机器周围,令人眼花缭乱、心生敬畏。这是我国能源战略发展的重要研究设施,为核聚变研究提供了实验平台。

ITER实验基地的磁体线圈制备车间,其中不少设备由中国提供。孔帆摄。等离子参数提升至近堆芯水平

“我们现在看到的机器是中国环流器二号A的核心装置。里面是环形的真空室,外面缠绕着线圈,就像一个平放的轮胎。”核工业西南物理研究院特聘研究员钟武律讲解说,整个装置还包括5兆瓦电子回旋加热系统、3兆瓦中性束注入系统、2兆瓦低混杂波系统、30万千瓦脉冲发电机组,以及30多种50余套诊断系统等。

据了解,这次完成总体安装的中国环流器二号M装置是HL-2A的改造升级装置,也属于托卡马克核聚变实验研究装置。

环流器启动时,实验室完全封闭,任何人都不能进入。但通过实验室外中央控制室的大屏幕,工作人员可以看到核聚变装置的内部运行图像,两侧的分屏也会显示各种数据参数。

中国环流器二号M装置的建造目的是研究未来聚变堆相关物理及其关键技术,研究高比压、高参数的聚变等离子体物理, 为下一步建造聚变堆打好基础。

我们都知道,氢弹是靠原子弹做“引线”产生高温高压环境才得以发生聚变反应引爆的。连不受控的核聚变都需要如此苛刻的条件,受控核聚变的难度可想而知。

中国环流器二号M装置将在高比压、高参数条件下,研究一系列和聚变堆有关的工程和技术问题。瞄准和ITER物理相关的内容,着重开展和燃烧等离子体物理有关的研究课题,包括等离子体约束和输运、高能粒子物理、新的偏滤器位型、在高参数等离子体中的加料以及第一壁和等离子体相互作用等。

“1亿度以上的高温、长时间约束在有限的空间中、足够高的密度,受控核聚变的三大条件缺一不可。”刘永表示,如此高的温度下,物质已经成为等离子体,这是除固体、液体和气体之外的第四种形态。如何约束等离子体,就成了核聚变实验的重中之重。

奥门银河官方app,而从直观的指标上来看,中国环流器二号M装置将能够承载更大的线圈电流,有望将电流从现有装置的1兆安培提高到3兆安培,并使等离子体参数将大幅度提高到近堆芯水平,离子温度将超过1亿摄氏度。

自上世纪50年代起,英国、美国和苏联就投入了大量经费,研究核聚变等离子体的约束方法。在此过程中,人们对实现受控核聚变难度的认识也逐步加深。

当然,托卡马克并非唯一实现核聚变的方式。目前,主要受控核聚变还有激光约束核聚变、仿星器等几种不同的技术路径。

目前,全球科学家研究实现受控热核聚变的技术方案主要有两种:磁约束聚变和惯性约束聚变。前者利用强磁场较长时间约束高温稀薄等离子体使之发生聚变反应。由苏联科学家提出的“托卡马克”装置,是目前国际公认的最有可能率先实现商业聚变堆的技术路线。后者则利用多种高能量驱动方式形成高温高压环境,使氘氚靶丸实现热核聚变点火和燃烧,工程技术要求很高,商用可行性稍差。

(来源:红星新闻客户端)

记者了解到,中国环流器二号A于2002年建成投入使用,并在2013年进行了升级改造,其等离子体电子温度高达5500万度,这比太阳中心部的温度还要高近三倍。而在高密度条件下,等离子体温度一旦达到1亿度以上,可使数目可观的粒子具有足够动能克服原子核间斥力而实现核聚变反应,产生可观的聚变能。

刘永透露,核工业西南物理研究院将于今年底建成中国环流器二号M装置,届时装置内等离子体温度将超过1亿度,具备开展堆芯等离子体研究的条件。

为最大“人造太阳”贡献中国智慧

受控核聚变研究一旦成功,受益的无疑是整个人类社会。因此,它需要世界各国共同推动、共同研究。正是基于这样的理念,“国际热核聚变实验堆计划”诞生了。

ITER是规模仅次于国际空间站的一项重大的多边大科学国际合作计划,旨在建立世界上第一个受控热核聚变实验堆。成立于2007年的ITER组织,由欧盟、中国、美国、俄罗斯、韩国、日本和印度参与。

“ITER是世界上在建的最大、最复杂的托卡马克装置,也是技术最先进的‘人造太阳’。它的体积接近天坛祈年殿的尺寸,高30米,直径28米,重达1万吨。”刘永介绍。

在七方共同努力播种“太阳”的进程中,中国的表现十分突出。

“我国承担了ITER装置9%的采购包制造任务,成为除欧盟外承担任务最多的国家。”刘永介绍,中方采购包任务中的所有涉核部件均由核工业西南物理研究院承担。

刘永说,自2010年12月以来,他们联合国内多家企业组成的团队,先后完成了从材料到制造工艺的系列认证,以及ITER磁体支撑采购包的生产制造任务,取得多项关键技术的重大突破,最终获得ITER国际组织的认可,为和平利用核能和人类可持续发展贡献了中国智慧和中国方案。

ITER组织总部位于法国南部的圣保罗-莱迪朗斯小镇,数千名来自不同国家的科学家、工程师和管理人员在这里埋头“筑梦”,当然也少不了中国科研人员的身影。

曾在ITER法国总部工作了近10年、最近刚回国的核工业西南物理研究院聚变科学所副总工程师周才品认为,中国在国际合作过程中,提升了科技创新能力、高端制造水平、国际项目管理能力和专业技术人才培养能力,为中国聚变堆建设提供强有力的技术及人才储备。

“通过参与ITER计划,中国在可控热核聚变领域的整体水平有了很大提升,部分技术已达到国际领先水平。”周才品说。

目前,中国已交付了组建国际热核聚变实验堆所需的馈线、磁体支撑等多种重要部件,有利于相关实验如期顺利开展。

ITER组织总干事贝尔纳·比戈此前曾多次表示,中国是这一世界最大“人造太阳”项目非常好的合作伙伴,中国交付相关产品按时保质,堪称合作各方的榜样。

如今,各国在开展ITER合作研究的同时,也在加速推进本国研究进程。“如果将来有一盏灯会被聚变之能点亮,期盼这盏灯在中国。”“聚变人”对我国受控核聚变的未来充满信心。(本报记者 姜永斌 贾元昌)

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