“人造太阳”长什么样? 重要性体现在哪里?

  • 西北网
  • 2021-04-19 14:43:13
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眼下,合肥科学岛春光无限、生机盎然。小岛的中间地带,矗立着一座外形酷似宇宙飞船的大楼——中国科学院合肥研究院等离子体所;大楼深处,有一个大科学装置——全超导托卡马克核聚变实验装置(中文名为东方超环,简称EAST),俗称“人造太阳”。

这座由我国自主设计、自主建造的核聚变实验装置,多次创造出等离子体运行的世界纪录,代表着我国磁约束聚变研究在高温等离子体运行物理和工程方面的研究水,为全人类开发利用核聚变清洁能源奠定了重要的技术基础。

“人造太阳”长什么样?何时能造福人类?前不久,记者进行了实地探访。

一旦人类掌握了核聚变能,将拥有可使用上百亿年的清洁能源

尽管提前做了一些功课,当真正来到“人造太阳”面前,这个庞然大物依然让人震撼。装置主体高11米、直径8米、重达400吨,周围供电、冷却等辅助设备林立。其核心结构是一个像面包圈的环形磁容器“托卡马克”。

探访当天,“人造太阳”并未进行实验。大约十几名科研人员手持检测工具,在装置主体上下攀爬,进行设备维护和更新。装置零件数量巨大,材料和工艺完全依靠自主研发。从2006年建成至今,装置每年都会进行保养和零部件更新换代,确保实验的顺利进行。

俗话说万物生长靠太阳。在太阳内部无时无刻不在发生着核聚变,为大自然带来最普遍的能量来源。所谓“人造太阳”,是指充分利用这个科学原理,在地球上建造一套核聚变装置,像太阳一样发生核聚变反应,从而源源不断地产生能量。严格意义上讲,“人造太阳”的称谓并非专属于东方超环,凡是应用了类似原理的装置,都能这么称呼。

“人造太阳”重要体现在哪里?

这要从核聚变能的优点说起。相比核裂变,核聚变没有放射。氘和氚反应的生成物是氦气,对环境无害,一旦造成反应的等离子体熄灭,聚变反应会终止。核聚变的原料储量也很丰富,氘可以直接在海水中提取,氚则可以通过中子和锂反应产生。据估算,一升海水中提炼出来的氘经过核聚变反应释放出的能量相当于300升汽油完全燃烧释放的能量。核聚变能凭借资源无限、清洁环保,不产生高放射核废料等优点,是目前认识到的、可以最终解决全球能源问题的重要途径之一。一旦人类掌握了核聚变能,将拥有可使用上百亿年的清洁能源。

东方超环这座大科学装置对实现核聚变能有什么贡献?

中科院合肥研究院副院长、等离子体所所长宋云涛介绍,这座大科学装置的科学目标,正是从前期基础研究出发,对受控核聚变相关的前沿物理问题展开探索实验研究,既着眼物理理论突破,同时验证工程上的可行,为将来打造真正的商业聚变堆、电站打下基础。

太阳发生核聚变,主要依靠星球引力约束等离子体。可地球上没有那么大引力,要想让能量不失控,就需要借助磁场来约束。受控热核聚变的实现离不开超高温、超低温、超强磁场、超大电流、超高真空的极限环境,科学家们用磁场做成“托卡马克”这座“磁笼”,牢牢将高温物质控制住,磁场外面用真空隔绝,保护装置材料不被烧毁。

尽管主流可控核聚变方式不止有磁约束这一种,还有惯约束、引力约束等,但磁约束在实验室条件下接成功,也是国际上主流的研究方向。因此,托卡马克核聚变实验装置被公认为是探索、解决未来稳态聚变反应堆工程及物理问题的最有效的途径,是地球寻找聚变能源出路的希望。

在东方超环这座大科学装置的牵引下,衍生出一系列创新成果

从5000万摄氏度放电30秒至60秒,再到百秒,再到1亿摄氏度运行20秒……东方超环不断刷新着放电纪录。如果能较长时间维持1亿摄氏度的高温,实现接1000秒的放电时间,将证明人类距离解决核聚变商业化应用的步伐更进一步。

每一秒的增长,在科学上都具有极高的难度,背后是科研人员夜以继日的钻研和呕心沥血的付出。

实现受控热核聚变和稳态约束等离子体,是国际共科学难题。根据物理学理论“劳森判据”,核聚变点火条件包括核聚变燃料的温度、密度和约束时间这三个要素。据等离子体所博士鄢容介绍,想实现聚变反应,首先要达到1亿摄氏度以上,使聚变燃料完全电离,并在保证等离子体密度的前提下,将高温等离子体维持相对足够长的时间,不泄露不逃逸,才可能释放出足够多的能量。托卡马克的高温物质,就像是一群正在嬉戏打闹的淘气孩子,很难控制。温度、密度、时间这三个要素缺一不可,相互协调到最佳状态,才能实现稳态约束。

除了科学实验难度高,作为集成系统,这个装置对工程配合要求也极高。据了解,整个大科学装置总共有48个窗口,零件数量相当于5架波音777飞机的零件总和。短短的数十秒运行中,任何一个零件失灵,任何一滴不该出现的水珠,任何一个停滞的环节,都会导致实验风险。科研人员不舍昼夜地实验、调试,就是希望能更精确掌握等离子体的基本特,研究改进磁笼子的形态和质,在看似杂乱无章的现象中发掘科学规律,提出长时间等离子体稳定约束的最佳运行方案。

大科学装置集高精尖技术于一身,其承载的意义早已不止追求科学目标本身。在东方超环这座大科学装置的牵引下,衍生出了一系列重要的创新成果,形成了超导技术、低温技术、等离子体技术、生物技术、材料技术、机器人技术等多个产业技术板块,推动一大批高新技术成果实现转移转化,实现了“一路摘瓜”“沿途下蛋”。

比如,质子和重离子放疗是目前国际公认最尖端的放射治疗技术,一直被发达国家所垄断。等离子体所利用大科学装置的超导技术,积极研制国内首套具有自主知识产权的医用超导质子癌症治疗系统,将大幅降低患者治疗费用。

此外,等离子体还能治疗皮肤病,有广谱抗菌、加速凝血、促进细胞增殖、无耐药及副作用等优点;等离子体所将大科学装置离子束技术引入生物学科,致力于微生物新菌种的创制、发酵调控、产物分离分析及终端产品的研究和产业转化。

据介绍,我国的核聚变研究与国际基本同步,甚至在聚变某些技术领域确立了领跑地位,在超导、稳态控制、加热等方面巩固了中国特色。有国外期刊称赞“中国创造了聚变历史”“在这里科学价值得到极大体现”。

以东方超环项目为依托,科研人员参与了目前全球规模最大的国际科研合作项目

在国际科技合作方面,东方超环作为国际磁约束聚变装置中最前沿的国际开放台之一,积极开展国际联合实验,促进了全面开放共享。

更重要的是,以这个项目为依托,我国科研人员参与了目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目ITER(国际热核聚变实验堆计划)。该计划的目标是在和利用聚变能的基础上,探索聚变在科学和工程上的可行。包含中国在内的多个国家参与了这个国家大科学项目,举多国合力向受控聚变实验堆迈进。

“东方超环很像ITER的缩小版,运行模式也都是采用了长脉冲高约束。我国科研人员在这个装置上摸爬滚打这么多年,每个材料都摸过,每个环节都练过,真正积累了等离子体运行的实际经验,能在科学原理和工程建设上为ITER提供宝贵参考经验。”宋云涛说。

当前,我国承担了ITER10%左右的采购包,其中七成由中科院合肥研究院等离子体所承担。科研人员勇于担当,直接争取到ITER最重要的核心设备“超导磁体”的建造任务。这个任务风险很大,但科研人员不畏艰难,高效高质交付了18个采购包制造内容,涵盖了ITER装置几乎所有关键部件,由上百家科研院所和企业承担。大电流高温超导直流电缆、脉冲高压变电站首台主变压器……自主研发的各项设备运到欧洲,获得了合作伙伴的高度认可。也正因为他们的出色表现,我国直接拿下了整个装置的总装任务。2020年10月,ITER计划启动主体安装工作,我国科研人员恪守承诺,确保安装进度正常。

参与ITER项目十几年,我国科研团队获得了深度参与国际科研合作项目的机会,积累了建造“人造太阳”的经验,在材料科学、超导技术等领域研发能力得到进步,为中国建造聚变工程实验堆(CFETR)奠定了基础。

“许多研究物理的年轻人通过在ITER的历练,开阔了眼界,锻炼了本领,回国后成为‘挑大梁’的骨干。”宋云涛说,许多与合肥院合作的国内企业,在生产超导材料、打造零部件方面达到水一流,积累了国际工程管理、国际合作经验;一些企业甚至走出国门,拿到了国际订单。

“作为东方超环的科研团队,我们感到责任重大、使命光荣。期,我们希望通过努力,向超高温度更长时间的放电努力,产出一批原创、战略、集成创新成果;长期而言,我们盼望着能够实现大科学装置能量输出大于输入,争取在2040年前后建成聚变电站,让千家万户早日用上核聚变能源,实现清洁能源梦想。”宋云涛说。(本报记者刘诗瑶)

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