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中国“人造太阳”离圆梦又近一步

时间: 2020-1-2 19:47| 来源: 人民日报海外版|评论:   发表评论 分享到微信

摘要: 人民日报海外版1月3日消息,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?#20174;Α?#23601;像儿歌中所唱的,“我有一个美丽的愿望,长大以后能播种太阳?#20445;?#38271;久以来, ...
人民日报海外版1月3日消息,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?#20174;Α?/div>

就像儿歌中所唱的,“我有一个美丽的愿望,长大以后能播种太阳?#20445;?#38271;久以来,人类一直希望通过可控核聚变?#20174;Γ?#26469;创造出“人造太阳?#20445;?#20174;而获得源源不绝的能源,大幅改善人们的生活。

中国“人造太阳”离圆梦又近一步_图1-1


就在?#23433;?#20037;,中国核工?#23548;?#22242;宣布,新一代可控核聚变研究装置“中国环流器二号M?#20445;?#39044;计于2020年投入运行。中核集团核工业西南物理研究院院长段旭如表示,该实验装置的建成将为人类真正掌握可控核聚变提供重要技术支撑。我们距离“人造太阳”的梦想,又近了一步。

源源不绝的清洁能源

众所周知,石油是工业的血液。但以石油为代表的化石能源,有两个绕不开的问题:一是不可再生,二是污染。即便页岩气、可燃冰等新型能源被不断开发,但归根结底都有消耗殆尽的一天。而目前的核裂变能也存在着?#20174;?#21407;?#24076;?#38080;等)有限、核废料放射性污染的问题。

有没有一种能源,既无穷无尽,又清洁?#32321;#?#36824;真有一个,就是可控核聚变。

从“进口”上说,可控核聚变所需的?#20174;?#21407;?#24076;?#27672;原子和氚原子),在地球上非常丰富。氘在海水中储量极大,1公升海水里提取出的氘,在完全的聚变?#20174;?#20013;可释放相当于燃烧300公升汽油的能量;而氚可通过中子与锂?#20174;?#29983;成,在地壳和海水中,锂都是大量存在的。

从“出口”上说,可控核聚变的产物为氦和中子,不排放有害气体,也几乎没有放射性污染,具有环境友好的优点。

“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?#27493;?#22240;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?#29028;?#33021;发电,就会想到切尔?#24403;?#21033;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?#20174;?#38656;要氘氚燃料达到上亿摄氏度的高温和足够高的密度等?#37327;?#26465;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?#20174;?#20572;止。

然而,世界上仍然有许多?#32321;?#26426;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。?#28304;耍?#27573;旭如解释:“由于燃烧的氘氚等离子体被磁场?#38469;?#22312;真空容器内,其密?#32570;?#31354;气低数个量级,聚变堆氘氚燃料含量?#27493;系停?#22240;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?#29028;?#32858;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人类科学家,他们“无招胜有招?#20445;?#24819;出了用?#30475;?#22330;来?#38469;?#39640;温核聚变燃料的办法。但具体用什么装?#32654;?#23454;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?#26377;?#21040;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?#36739;?#38543;之转向了托卡马克。

攻坚?#22235;?#30340;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?#20174;Α?#30740;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?#28023;?#20197;?#24405;?#31216;“核西物院?#20445;?#30340;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。

上世纪80年代,作家莫然曾造?#26790;?#20110;108级石梯之高的荒山上的研究所。据她回忆,刚搬迁至乐山时,所里条件简陋,可谓一贫如洗。研究者缺乏住所,甚至只能睡在帐篷里。但中国可控核聚变研究的“摇篮”恰恰是诞生在这样艰苦的环境中,这离不开研究者开?#32784;?#22303;、筚路蓝缕之功。正如莫然所说:“尽管研究所的房间就像山洞一样,但我们的科学家具有舍己的奉献精神,就在那样的环境中,他们制造出了‘中国环流器一号’,光设计图纸就有3层楼那样高。”

从此,中国磁?#38469;?#32858;变一步步从无到有,从小到大,从弱到强。1995年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、?#38382;?#26368;高的磁?#38469;?#21487;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?#28014;?#30495;?#24080;摇?#20013;,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?#31119;?#22240;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?#36139;?#36807;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?#31119;?#30701;短2?#31181;?#30340;路程,研?#23458;?#38431;最终耗费了近9个小时才成功完成搬运。“?#36139;?#20013;,大家像呵护宝贝一样。”项目线圈组负责人刘晓龙说,“还不错,我们成功了。”

“既然把任务交给我们这个团队了,我们就有义务把事情做好,给中核集团、给核工?#30340;?#33267;国家一个交代。”中国环流器二号M装置项目经理刘永的话掷地有声。

走向国际的中国团队

可控核聚变研究非常困难,难到什么程度?#24656;?#27494;律给我们做了一个比?#24076;骸?#19990;界上第一颗原子弹爆炸以后,不到十年核裂变就实现了和平利用,建成了核电?#23613;?#31185;学家们想,氢弹成功以后,应该也用不了多长时间就能够实现核聚变的和平利用,实现可控核聚变。但后来的研究发现,并没有那么简单,它需要全世界的科学家一起来努力完成。”

于是就有了2006年国际热核聚变实验堆(ITER)计划的签署。由中国、美国、?#35775;恕?#20420;罗斯、日本、韩国和印?#32469;?#26041;参与,计划在法国南部?#31456;?#26106;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?#26131;?#22823;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。其中,中国承担了大概9%的采购包研发任务。

“我国这些年磁?#38469;?#32858;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?#22467;?#21560;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?#35759;?#20219;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?#20197;?#28938;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?#27663;?#36890;过?#29616;ぃ?#20063;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?#28982;?#26159;在完成质量方面,都处于七方的前?#23567;?#22312;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?#26412;?#31614;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?#31119;?#20854;重要性相当于核电站的?#20174;?#22534;、人体里的心脏。这是有史以来中国企业在?#20998;?#24066;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?#33487;?#21040;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?#24213;?#23478;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?#31034;?#26631;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?#20197;?#26680;电事业,在核能工程的建设安装方面,达到了世界先进水平。”

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