“人造太阳”将从中国升起

来源:普陀区澳门贵宾会vip060    作者:薛政定    发布时间:2020/1/20 11:18:35

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  有一首儿歌唱道:“我有一个美丽的愿望,长大以后能播种太阳”。这个美丽的理想将在习近平新时代中国特色社会主义思想指引下,一步一步地实现。

  2020年1月4日,我国传来了一个无比重大的消息,这是人类科技发展史上的里程碑式事件:我国核聚变反应研究最具代表性的项目——大科学装置“人造太阳”,取得颠覆性的突破!

  我国最新型的核聚变装置——“中国环流器二号M”的建造工作已经进入尾声,即将在今年正式运营,由于采用了更先进的结构和控制方式,这款新装置的运行温度将有望超过2亿摄氏度!要知道,太阳的表面温度也仅有5500度左右,“环流器二号M”比太阳还要“热”上4倍!这些数据,不仅再次创造了世界记录;更意味着,中国已经具备了核聚变可控实际操作的基础。消息一经公布,立刻震动了全世界!没想到,这个困扰着世界科技界的世纪难题,被中国率先攻克了。此次,人造太阳的重大技术突破,将对中国14亿人民带来,难以想象的大利好。

  氢弹的诞生,让人们看到了核聚变的巨大破坏力!然而,核聚变产生巨大破坏力的同时,也带来取之不尽用的巨量能源。也就是说,谁能掌控好核能源,谁有拥有新能源时代的话语权。

  早在八十年前,世界顶级科学家们就首次提出核聚变理论,就曾设想:如果有一天,让核聚变远离战争的阴霾,大规模地应用到民用领域,仅仅只需要两个自然界中随处可见的轻核结合在一起,就能释放出超级能量,而且没有任何污染。

  为了让人类能够利用核聚变所带来的能源,当时的发达国家美欧日俄率先推出了“人造太阳”的设想。所谓的“人造太阳 ” 其实就是一个可以控制核聚变的科技装置。

  要知道,核聚变物理反应的条件都极为苛刻,更不用说控制核聚变了!截止目前,这些发达国家的人造太阳装置,依旧不能达到平稳控制的条件。

  美国“新闻周刊”认为,如果该项目能够成功,该装置朝着可控核聚变方向迈进了一大步,更接近最终目标,实现几乎无限的廉价清洁能源。据段旭儒(博士生导师,聚变科学所所长)曾透露说息,新设备将产生超过2亿度的高温,这个温度是太阳核心温度的13倍。而此前的核聚变项目产生的温度为1亿度,由此可见,新装备一旦顺利投入使用将是一个极大的跨越。

  试验先进超导托卡马克装置

  如此剧烈的高温,当前任何已知材料都无法承载,这就涉及到了一个核心装备“中国环流器二号M”托卡马克装置。主要通过磁约束来稳定产生的高温的等离子团,避免其与设备的腔体产生接触。由于托卡马克装置相对技术要求较低,更容易制造以及获得初期的试验数据,因此受到国际的广泛追捧,是当前核聚变研究的主流方向。

  我国在可控核聚变方面的研究虽然起步较晚,苏联和美国在60年代就逐步展开可控核聚变的研究,但是我们的起点非常高,2006年9月28日,中国自主研究、自主设计并且自主建造的新一代热核聚变装置EAST成功完成了首次放电,成为世界上第一个建成并投入使用的全超导非圆截面实验装置,随后不断突破,使得我们在核聚变的研究上稳居世界第一梯队的位置。

  可控核聚变技术不仅仅考验着一个国家的物理水平,同时也考验着一个国家的综合实力水平,比如精加工零件技术、常温超导技术、高能粒子束技术等等等等,而近年来中国不断在多个领域有着突破性的发展,这也为我们的核聚变技术打下了坚定的基础,让中国迅速成为可控核聚变研究的强国。

  万物生长靠太阳。今天支撑人类社会运转的几乎一切能源,从煤、石油、天然气,到风能、生物能,其本质都是太阳能,而太阳上的能量来自内部的核聚变反应。

  长久以来,人类一直希望通过可控核聚变反应,来创造出“人造太阳”,从而获得源源不绝的能源,大幅改善人们的生活。“核聚变能一旦实现和平利用,地球上的能源将取之不尽,用之不竭,因能源短缺带来的社会问题可得到彻底解决,人们的生活水平也将因此而得到极大提高。”段旭如说,像海水淡化、星际飞船这类工程,过去因耗能太大而令人们犹豫不决,而未来在可控核聚变能的支持下,都将能够更快发展。不仅零污染、用不完,可控核聚变还有另一个重要特点:固有安全性。许多人一想到用核能发电,就会想到切尔诺贝利核事故或者福岛核事故,从而有了“恐核”心理,谈核色变。事实上,核聚变反应需要氘氚燃料达到上亿摄氏度的高温和足够高的密度等苛刻条件,任何一点细微条件的缺失,都会导致温度密度的下降,致使聚变反应停止。然而,世界上仍然有许多环保机构公开指责核聚变所存在的安全隐患,包括产生核废料以及核泄漏的风险。对此,段旭如解释:“由于燃烧的氘氚等离子体被磁场约束在真空容器内,其密度比空气低数个量级,聚变堆氘氚燃料含量也较低,因此不会引起爆炸,也不会导致泄漏事故。”

  理想很美好,但实现起来并不容易。一个最明显的问题,就是用什么容器来承载核聚变。据段旭如介绍,在地球上利用核聚变能,要求在人工控制条件下等离子体的离子温度达到1亿摄氏度以上。“1亿度是什么概念?太阳的核心温度大概在1500万度至2000万度;而地球上最耐高温的金属材料钨在3000多度就会熔化。1亿度,已经超过太阳核心温度的5至6倍了。”中核集团核工业西南物理研究院特聘研究员钟武律解释说,“在地球上,没有任何材料可以把1亿度高温的等离子体给直接包裹起来。”

  不过这个问题还是难不倒科学家,他们“无招胜有招”,想出了用强磁场来约束高温核聚变燃料的办法。但具体用什么装置来实现,还要继续探索。从20世纪50年代开始,英、美、苏等国科学家前赴后继,快箍缩、磁镜、仿星器等不同的技术路线此消彼长。竞争延续到了1960年代,最终由苏联科学家提出的托卡马克方案异军突起,效果惊人,国际聚变界的重点研究方向随之转向了托卡马克。

  攻坚克难的核聚变人

  当世界的可控核聚变研究如火如荼时,中国“人造太阳”的建设也没有掉队。早在1955年,钱三强和刚留美归来的李正武等科学家便提议开展中国的“可控热核反应”研究,这与国际社会关注核聚变几乎同步。

  1965年,根据国家“三线”建设统一规划,在四川省乐山市郊区,建立了当时中国最大的核聚变研究基地——西南物理研究所,这也是中核集团核工业西南物理研究院(以下简称“核西物院”)的前身。

  而中国核聚变研究史上的重要里程碑,当属1984年中国环流器一号(HL-1)的建成。这是中国核聚变领域的第一座大科学装置,它为中国自主设计、建造、运行“人造太阳”培养了大批人才,积累了丰富经验。

  中国第一个超导托卡马克装置HT-7在合肥建成;2002年中国建成第一个具有偏滤器位形的托卡马克装置中国环流器二号A(HL-2A);2006年,世界上第一个全超导托卡马克装置东方超环(EAST)首次等离子体放电成功……

  而预计2020年投入运行的“中国环流器二号M”装置将成为中国规模最大、参数最高的磁约束可控核聚变实验研究装置,其等离子体体积为中国现有装置的2倍以上,离子温度将达到1亿摄氏度以上,可将电流从中国现有装置的1兆安培提高到3兆安培。

  作为一个历经多年研制的实验项目,中国环流器二号M精细的部件工艺很多都是前无古人的创造。就像在装置设备“真空室”中,许多细小的误差是现有检测仪器所无法感知的,很多时候甚至需要自主开发新的检验设备,因为连尘埃般大小的缺陷都会影响最终的实验结果。

  为了保障中心柱这个高约2层楼、重约80吨的装置设备在移动过程中不受磕碰,且安装精度不超过0.1毫米偏差,二号M装置线圈团队在1个月内做了十几种方案,短短2分钟的路程,研究团队最终耗费了近9个小时才成功完成搬运。2006年国际热核聚变实验堆(ITER)计划的签署。由中国、美国、欧盟、俄罗斯、日本、韩国和印度七方参与,计划在法国南部普罗旺斯地区共同建造一个世界上最大的托卡马克装置。ITER是目前全球影响最深远且最大的国际合作项目之一,也是中国以平等身份参加的最大国际科技合作项目。“我国这些年磁约束聚变研究进展得益于参加ITER计划。”段旭如说,比如中国环流器二号M在设计建造过程中,通过与国际上现有托卡马克装置的交流学习,吸取了许多设计建造与运行托卡马克的成功经验。

  钟武律还举了核西物院研发ITER第一壁采购包半原型部件的例子。“这是中国团队承担的一份高难度任务。当时世界上满足ITER第一壁特殊材料要求的只有美国。我院的科研团队联合国内有关单位通过十多年的努力,不仅在特殊材料的制备上,而且在焊接工艺等多项技术上取得了突破,2016年成功研制的ITER超热负荷第一壁半原型部件在国际上率先通过认证,也让中国在这个技术上达到世界先进水平。”钟武律说,“目前中国承担的ITER采购包,不管是在研发进度还是在完成质量方面,都处于七方的前列。在国际聚变舞台上,中国有了更大的话语权。”

  对中国可控核聚变实力的认可,还在不断升级。2019年9月30日,ITER主机安装一号合同在北京签约,由中核集团牵头的中法联合体中标该工程。这个工程安装的是ITER装置最重要的核心设备,其重要性相当于核电站的反应堆、人体里的心脏。这是有史以来中国企业在欧洲市场中标的最大核能工程项目合同。

  ITER组织总干事比戈说:“我们很高兴找到了高素质的积极的合作伙伴来完成这项工作。我们期待着与世界知名的行业专家合作,按时、按规格安装世界上最具挑战性、最有前途和最重要的科学设备之一。”

  “通过国际竞标拿到了ITER项目最核心部分的安装工程,证明我们的团队在世界上是领先的。”中核集团董事长余剑锋豪情满怀地总结道,“这也标志着我们国家在核电事业,在核能工程的建设安装方面,达到了世界先进水平。”

  我国最新型的核聚变装置——“中国环流器二号M”的建造工作已经进入尾声,这一震惊全球大好消息,充分说明我国热核技术遥遥领先世界,我们将在习近平新时代中国特色社会主义思想指引下,“人造太阳”必将从中国升起。

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