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揭秘中國可控核聚變:“人造太陽”離圓夢又近一步

作者:admin 發布日期:2020-1-3 關注次數: 二維碼分享
1月3日消息,萬物生長靠太陽。今天支撐人類社會運轉的幾乎一切能源,從煤、石油、天然氣,到風能、生物能,其本質都是太陽能,而太陽上的能量來自內部的核聚變反應。
就像兒歌中所唱的,“我有一個美麗的願望,長大以後能播種太陽”,長久以來,人類一直希望通過可控核聚變反應,來創造出“人造太陽”,從而獲得源源不絕的能源,大幅改善人們的生活。
就在前不久,中國核工業集團宣布,新一代可控核聚變研究裝置“中國環流器二號M”,預計於2020年投入運行。中核集團核工業西南物理研究院院長段旭如表示,該實驗裝置的建成將為人類真正掌握可控核聚變提供重要技術支撐。我們距離“人造太陽”的夢想,又近了一步。
源源不絕的清潔能源
眾所周知,石油是工業的血液。但以石油為代表的化石能源,有兩個繞不開的問題:一是不可再生,二是汙染。即便頁岩氣、可燃冰等新型能源被不斷開發,但歸根結底都有消耗殆盡的一天。而目前的核裂變能也存在著反應原料(鈾等)有限、核廢料放射性汙染的問題。
有沒有一種能源,既無窮無盡,又清潔環保?還真有一個,就是可控核聚變。
從“進口”上說,可控核聚變所需的反應原料(氘原子和氚原子),在地球上非常豐富。氘在海水中儲量極大,1公升海水裏提取出的氘,在完全的聚變反應中可釋放相當於燃燒300公升汽油的能量;而氚可通過中子與鋰反應生成,在地殼和海水中,鋰都是大量存在的。
從“出口”上說,可控核聚變的產物為氦和中子,不排放有害氣體,也幾乎沒有放射性汙染,具有環境友好的優點。
“核聚變能一旦實現和平利用,地球上的能源將取之不盡用之不竭,因能源短缺帶來的社會問題可得到徹底解決,人們的生活水平也將因此而得到極大提高。”段旭如說,像海水淡化、星際飛船這類工程,過去因耗能太大而令人們猶豫不決,而未來在可控核聚變能的支持下,都將能夠更快發展。
不僅零汙染、用不完,可控核聚變還有另一個重要特點:固有安全性。許多人一想到用核能發電,就會想到切爾諾貝利核事故或者福島核事故,從而有了“恐核”心理,談核色變。事實上,核聚變反應需要氘氚燃料達到上億攝氏度的高溫和足夠高的密度等苛刻條件,任何一點細微條件的缺失,都會導致溫度密度的下降,致使聚變反應停止。
然而,世界上仍然有許多環保機構公開指責核聚變所存在的安全隱患,包括產生核廢料以及核泄漏的風險。對此,段旭如解釋:“由於燃燒的氘氚等離子體被磁場約束在真空容器內,其密度比空氣低數個量級,聚變堆氘氚燃料含量也較低,因此不會引起爆炸,也不會導致泄漏事故。”
理想很美好,但實現起來並不容易。一個最明顯的問題,就是用什麽容器來承載核聚變。
據段旭如介紹,在地球上利用核聚變能,要求在人工控製條件下等離子體的離子溫度達到1億攝氏度以上。“1億度是什麽概念?太陽的核心溫度大概在1500萬度至2000萬度;而地球上最耐高溫的金屬材料鎢在3000多度就會熔化。1億度,已經超過太陽核心溫度的5至6倍了。”中核集團核工業西南物理研究院特聘研究員鍾武律解釋說,“在地球上,沒有任何材料可以把1億度高溫的等離子體給直接包裹起來。”
不過這個問題還是難不倒人類科學家,他們“無招勝有招”,想出了用強磁場來約束高溫核聚變燃料的辦法。但具體用什麽裝置來實現,還要繼續探索。從20世紀50年代開始,英、美、蘇等國科學家前赴後繼,快箍縮、磁鏡、仿星器等不同的技術路線此消彼長。競爭延續到了1960年代,最終由蘇聯科學家提出的托卡馬克方案異軍突起,效果驚人,國際聚變界的重點研究方向隨之轉向了托卡馬克。
攻堅克難的核聚變人
當世界的可控核聚變研究如火如荼時,中國“人造太陽”的建設也沒有掉隊。早在1955年,錢三強和剛留美歸來的李正武等科學家便提議開展中國的“可控熱核反應”研究,這與國際社會關注核聚變幾乎同步。
1965年,根據國家“三線”建設統一規劃,在四川省樂山市郊區,建立了當時中國最大的核聚變研究基地——西南物理研究所,這也是中核集團核工業西南物理研究院(以下簡稱“核西物院”)的前身。
而中國核聚變研究史上的重要裏程碑,當屬1984年中國環流器一號(HL-1)的建成。這是中國核聚變領域的第一座大科學裝置,它為中國自主設計、建造、運行“人造太陽”培養了大批人才,積累了豐富經驗。
上世紀80年代,作家莫然曾造訪位於108級石梯之高的荒山上的研究所。據她回憶,剛搬遷至樂山時,所裏條件簡陋,可謂一貧如洗。研究者缺乏住所,甚至隻能睡在帳篷裏。但中國可控核聚變研究的“搖籃”恰恰是誕生在這樣艱苦的環境中,這離不開研究者開荒拓土、篳路藍縷之功。正如莫然所說:“盡管研究所的房間就像山洞一樣,但我們的科學家具有舍己的奉獻精神,就在那樣的環境中,他們製造出了‘中國環流器一號’,光設計圖紙就有3層樓那樣高。”
從此,中國磁約束聚變一步步從無到有,從小到大,從弱到強。1995年中國第一個超導托卡馬克裝置HT-7在合肥建成;2002年中國建成第一個具有偏濾器位形的托卡馬克裝置中國環流器二號 A(HL-2A);2006年,世界上第一個全超導托卡馬克裝置東方超環(EAST)首次等離子體放電成功……
而預計2020年投入運行的“中國環流器二號M”裝置將成為中國規模最大、參數最高的磁約束可控核聚變實驗研究裝置,其等離子體體積為中國現有裝置的2倍以上,離子溫度將達到1億攝氏度以上,可將電流從中國現有裝置的1兆安培提高到3兆安培。
作為一個曆經多年研製的實驗項目,中國環流器二號M精細的部件工藝很多都是前無古人的創造。就像在裝置設備“真空室”中,許多細小的誤差是現有檢測儀器所無法感知的,很多時候甚至需要自主開發新的檢驗設備,因為連塵埃般大小的缺陷都會影響最終的實驗結果。
為了保障中心柱這個高約2層樓、重約80噸的裝置設備在移動過程中不受磕碰,且安裝精度不超過0.1毫米偏差,二號M裝置線圈團隊在1個月內做了十幾種方案,短短2分鍾的路程,研究團隊最終耗費了近9個小時才成功完成搬運。“移動中,大家像嗬護寶貝一樣。”項目線圈組負責人劉曉龍說,“還不錯,我們成功了。”
“既然把任務交給我們這個團隊了,我們就有義務把事情做好,給中核集團、給核工業乃至國家一個交代。”中國環流器二號M裝置項目經理劉永的話擲地有聲。
走向國際的中國團隊
可控核聚變研究非常困難,難到什麽程度?鍾武律給我們做了一個比較:“世界上第一顆原子彈爆炸以後,不到十年核裂變就實現了和平利用,建成了核電站。科學家們想,氫彈成功以後,應該也用不了多長時間就能夠實現核聚變的和平利用,實現可控核聚變。但後來的研究發現,並沒有那麽簡單,它需要全世界的科學家一起來努力完成。”
於是就有了2006年國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃的簽署。由中國、美國、歐盟、俄羅斯、日本、韓國和印度七方參與,計劃在法國南部普羅旺斯地區共同建造一個世界上最大的托卡馬克裝置。ITER是目前全球影響最深遠且最大的國際合作項目之一,也是中國以平等身份參加的最大國際科技合作項目。其中,中國承擔了大概9%的采購包研發任務。
“我國這些年磁約束聚變研究進展得益於參加ITER計劃。”段旭如說,比如中國環流器二號M在設計建造過程中,通過與國際上現有托卡馬克裝置的交流學習,吸取了許多設計建造與運行托卡馬克的成功經驗。
鍾武律還舉了核西物院研發ITER第一壁采購包半原型部件的例子。“這是中國團隊承擔的一份高難度任務。當時世界上滿足ITER第一壁特殊材料要求的隻有美國。我院的科研團隊聯合國內有關單位通過十多年的努力,不僅在特殊材料的製備上,而且在焊接工藝等多項技術上取得了突破,2016年成功研製的ITER超熱負荷第一壁半原型部件在國際上率先通過認證,也讓中國在這個技術上達到世界先進水平。”鍾武律說,“目前中國承擔的ITER采購包,不管是在研發進度還是在完成質量方麵,都處於七方的前列。在國際聚變舞台上,中國有了更大的話語權。”
對中國可控核聚變實力的認可,還在不斷升級。2019年9月30日,ITER主機安裝一號合同在北京簽約,由中核集團牽頭的中法聯合體中標該工程。這個工程安裝的是ITER裝置最重要的核心設備,其重要性相當於核電站的反應堆、人體裏的心髒。這是有史以來中國企業在歐洲市場中標的最大核能工程項目合同。
ITER組織總幹事比戈說:“我們很高興找到了高素質的積極的合作夥伴來完成這項工作。我們期待著與世界知名的行業專家合作,按時、按規格安裝世界上最具挑戰性、最有前途和最重要的科學設備之一。”
“通過國際競標拿到了ITER項目最核心部分的安裝工程,證明我們的團隊在世界上是領先的。”中核集團董事長餘劍鋒豪情滿懷地總結道,“這也標誌著我們國家在核電事業,在核能工程的建設安裝方麵,達到了世界先進水平。”
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