1.2億攝氏度燃燒101秒
中國人造太陽是怎么造出來的
有一部小說叫《中國太陽》，講的是農(nóng)村小伙兒水娃不斷奮斗，借助“中國太陽”工程成為深空宇宙開拓者，為人類解決能源問題的故事。
現(xiàn)實中，中國真的有“人造太陽”，而且有兩個：一個在安徽合肥西郊“科學(xué)島”上的中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院內(nèi)，是有著“東方超環(huán)”之稱的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置(簡稱EAST)；另一個則是位于四川成都中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院的中國環(huán)流器二號M裝置(HL-2M)。
5月28日，“東方超環(huán)”再次刷新了世界紀(jì)錄：在其第98958次放電中，成功實現(xiàn)可重復(fù)的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運(yùn)行，是1億攝氏度20秒原紀(jì)錄的5倍。這意味著人類讓核聚變成為未來清潔新能源的努力，又一次取得了突破性進(jìn)展，標(biāo)志著我國在穩(wěn)態(tài)高參數(shù)磁約束聚變研究領(lǐng)域?qū)⒗^續(xù)引領(lǐng)國際前沿。
那么，為什么有了太陽，還要造“太陽”？“人造太陽”長什么樣？是怎么造出來的？記者帶您一起探訪——
理想的“終極能源” 一旦掌握了核聚變能，人類將實現(xiàn)“能源自由”
煤、石油、天然氣，這些人類賴以生存的不可再生能源終有一天將被耗盡。人類面臨著嚴(yán)重的能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)。如何從根本上解決這一問題？尋找新能源。
萬物生長靠太陽?？梢哉f，太陽是地球最大的能量來源，它的表面溫度約6000攝氏度，內(nèi)核溫度約1500萬攝氏度，像一個熊熊燃燒的大火球，每秒鐘可散發(fā)出相當(dāng)于1億億噸煤炭完全燃燒產(chǎn)生的能量。
太陽為什么能產(chǎn)生這么大的能量？因其內(nèi)部持續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)。而支撐這種聚變反應(yīng)的主要原材料氘，在地球上的儲量極其豐富。
據(jù)測算，從1升海水中提煉出的氘，經(jīng)核聚變反應(yīng)后釋放的能量相當(dāng)于300升汽油燃燒的能量。而海洋中蘊(yùn)藏著約40萬億噸氘，理論上用于聚變反應(yīng)釋放的能量足夠人類使用上百億年，幾乎無窮無盡。
由此，模仿太陽聚變反應(yīng)原理造一個“太陽”，被科學(xué)家們認(rèn)為是解決人類能源危機(jī)的最佳方案。
核聚變的原理是由質(zhì)量較小的原子——如氫的同位素氘、氚，在極高溫條件下使核外電子擺脫原子核的束縛，兩個原子核相互碰撞聚合，生成新的質(zhì)量更重的原子核氦，由于質(zhì)量虧損和質(zhì)能轉(zhuǎn)換，釋放巨大的能量。
“簡單來說，地球上‘最容易’實現(xiàn)的氘氚核聚變反應(yīng)的最終生成物是氦和攜帶能量的中子，而氦是非常清潔的。”中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所的鄢容博士告訴記者，這是一種清潔能源，沒有碳排放，沒有放射性廢料，也不會出現(xiàn)燃料棒熔斷的災(zāi)難，比風(fēng)能和太陽能穩(wěn)定，被認(rèn)為是一種理想的“終極能源”。“一旦掌握了核聚變能，人類將實現(xiàn)‘能源自由’。”
受益的無疑是整個人類社會。
形似“甜甜圈”，擁有“超燃”內(nèi)核 超高溫、超低溫、超高真空、超強(qiáng)磁場、超大電流等極端環(huán)境“熔于一爐”
從上世紀(jì)50年代開始，世界科學(xué)家們便開始了在可控核聚變領(lǐng)域的研究。
通過科研人員的不懈努力，1994年，我國第一個圓截面超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置“合肥超環(huán)”(HT-7)研制成功，使我國成為繼俄、法、日之后第四個擁有超導(dǎo)托卡馬克裝置的國家，也是我國建成并投入運(yùn)行的首個超導(dǎo)托卡馬克裝置。
這次創(chuàng)造新的世界紀(jì)錄的主角——EAST則是在“合肥超環(huán)”基礎(chǔ)上，由我國科學(xué)家自主研發(fā)的世界上第一個全超導(dǎo)磁體、非圓截面托卡馬克實驗裝置，主體部分高11米、直徑8米、重400多噸。
如此一個龐然大物，到底長什么樣？有人說像一個巨大的罐子，有人說像一個大鍋爐，還有人說像一個超大號的高壓鍋。而在致力于核聚變研究40年的中國工程院院士李建剛看來，EAST就像我們吃的甜甜圈一樣。
不過這個“甜甜圈”與眾不同，由真空室、縱場線圈、極向場線圈、內(nèi)外冷屏、外真空杜瓦、支撐系統(tǒng)等六大部件組成，四周布滿了大大小小的輔助加熱、診斷、抽氣和冷卻裝置，零件數(shù)量相當(dāng)于5架波音777飛機(jī)的零件總和。而且擁有“超燃”內(nèi)核——超高溫、超低溫、超高真空、超強(qiáng)磁場、超大電流等極端環(huán)境“熔于一爐”。
這是一個“超難”的集合體。
據(jù)鄢容博士介紹，想實現(xiàn)聚變反應(yīng)，首先要達(dá)到1億攝氏度以上，使聚變?nèi)剂贤耆婋x，并在保證等離子體密度的前提下，將高溫等離子體維持相對足夠長的時間，才可能釋放出足夠多的能量。“托卡馬克的高溫物質(zhì)，就像是一群正在嬉戲打鬧的淘氣孩子，很難控制。溫度、密度、時間這三個要素缺一不可，相互協(xié)調(diào)到最佳狀態(tài)，才能實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)約束。”
實現(xiàn)上億攝氏度點火是實現(xiàn)核聚變發(fā)電的兩大難點之一。上億攝氏度是什么概念？相當(dāng)于太陽核心溫度的6.67倍。
為了實現(xiàn)如此高溫，科學(xué)家們采用了微波、中性束等多種加熱手段。“家用微波爐的功率是500瓦左右，而EAST總功率有34兆瓦，相當(dāng)于約6.8萬臺家用微波爐一起加熱。”中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所王騰博士說。
然而，目前地球上最耐高溫的金屬材料鎢的熔化溫度是3000多攝氏度。用什么承載上億攝氏度的高溫等離子體？科學(xué)家們的方法是用磁場做成“籠子”，把那團(tuán)上億度的火球懸浮起來，使所有電離了的等離子體只能沿著磁力線運(yùn)動，不讓它與周邊的任何容器材料接觸，從而保護(hù)裝置材料不被燒毀。據(jù)鄢容博士介紹，EAST由16個縱場線圈、14個極向場線圈構(gòu)成，產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度是地球磁場強(qiáng)度的近7萬倍。
為了達(dá)到強(qiáng)磁場，“人造太陽”還需要超過12000安培的超大電流，強(qiáng)度是普通家用空調(diào)的數(shù)千倍，而承載大電流的線圈工作在零下269攝氏度的超低溫度，就在距離1億攝氏度高溫約1米遠(yuǎn)的地方，上演了現(xiàn)實版的“冰火兩重天”。“這就需要實現(xiàn)地表大氣壓約一千億分之一強(qiáng)度的‘超高真空’來‘隔熱’。”科研人員介紹說。
自立自強(qiáng)，“超級材料”中國造 盼望核聚變點亮的第一盞燈在中國
“超高溫”與“超低溫”共存，“超強(qiáng)磁場”與“超大電流”并行，要在地球上造出“人造太陽”，必須要有性能極其特殊的材料承載。超導(dǎo)便是其中之一。
“超導(dǎo)是一種在特殊條件下電阻為零的材料，利用這一特性可以避免導(dǎo)體發(fā)熱，實現(xiàn)‘人造太陽’的長時間運(yùn)行。”李建剛說，當(dāng)年中國啟動研制“人造太陽”的時候，超導(dǎo)技術(shù)控制在少數(shù)發(fā)達(dá)國家手中，向國外購買超導(dǎo)材料，有的出爾反爾不賣，有的開價高，還只賣三流產(chǎn)品。
材料被“卡脖子”，怎么辦？我國科學(xué)家決定自己做。
邊建設(shè)邊研發(fā)。從超導(dǎo)材料、超導(dǎo)接頭、超導(dǎo)配線，到大型磁體系統(tǒng)……如今我國已擁有世界先進(jìn)的超導(dǎo)技術(shù)。“可以說，研制‘人造太陽’，也推動中國的超導(dǎo)材料產(chǎn)業(yè)前進(jìn)了20年。”中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院副院長、等離子體物理研究所所長宋云濤介紹，如今中國已成為世界上超導(dǎo)材料的最大出口國，從被“卡脖子”的對象成為主供應(yīng)商。
除此之外，還衍生出一系列重要的創(chuàng)新成果，在低溫技術(shù)、等離子體技術(shù)、生物技術(shù)、材料技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)等多個產(chǎn)業(yè)技術(shù)板塊，推動一大批高新技術(shù)成果實現(xiàn)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化。
隨著EAST研制工作推進(jìn)，2003年，我國正式以“平等伙伴”身份加入了國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃。但在2001年之前，這個“俱樂部”一直將我國拒之門外。通過科研人員的不懈努力，如今，我們實現(xiàn)了從“跟跑”“并跑”到“領(lǐng)跑”的跨越，走向了世界聚變舞臺的中心。
去年7月至今年4月底，EAST迎來了新一輪改造升級。此次實驗實現(xiàn)1.2億攝氏度101秒等離子體運(yùn)行，是我國在國際上首次采用全金屬主動水冷第一壁、高性能鎢偏濾器等關(guān)鍵技術(shù)。“我們通過高功率的射頻波加熱，通過主動水冷偏濾器，通過精密的等離子體控制，特別是等離子體與材料強(qiáng)相互作用這一方面，克服了許多工程和技術(shù)方面的難題，使得EAST性能得到了很大的提高，這是取得這一次成績的一個重要的保障。這一成績的取得，也標(biāo)志著我國在穩(wěn)態(tài)高參數(shù)磁約束聚變研究領(lǐng)域處在國際領(lǐng)先水平。”中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所托卡馬克物理研究室主任龔先祖說，這進(jìn)一步證明核聚變能源的可行性，也為邁向商用奠定物理和工程基礎(chǔ)。
“我最大的夢想就是在有生之年，讓世界第一個核聚變反應(yīng)堆率先在中國發(fā)電，一盞盞燈泡被核聚變能點亮，而且點亮的第一盞燈泡一定要在中國。”李建剛說。
從用羽絨服換回設(shè)備到全球第一
全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置(EAST)是我國批準(zhǔn)立項的“九五”國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，擁有類似太陽的核聚變反應(yīng)機(jī)制，因此也被稱為“人造太陽”。
EAST的發(fā)展歷程可追溯到上世紀(jì)90年代。當(dāng)時，我國用羽絨服、牛仔褲、瓷器等生活物資，換了蘇聯(lián)價值1800萬盧布的T-7半超導(dǎo)托卡馬克裝置。在經(jīng)濟(jì)非常困難的情況下，我國科研人員依靠自己的力量，對T-7及其低溫系統(tǒng)進(jìn)行了根本性改造。1994年，我國第一個圓截面超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置“合肥超環(huán)”(HT-7)研制成功。
在HT-7成功運(yùn)行的基礎(chǔ)上，“九五”國家重大科學(xué)工程HT-7U(后改名為EAST)立項，并多次刷新世界紀(jì)錄。以下為其大事記：
●1998年7月，通過國家發(fā)展計劃委員會立項。
●2000年10月，正式開工建設(shè)。
●2003年10月，HT-7U正式改名為EAST。
●2006年2月，首次工程調(diào)試成功；同年9月，成功獲得首次高溫等離子體放電。
●2007年1月，成功獲得首次大拉長偏濾器位型放電。同年3月，通過國家竣工驗收。
●2009年，成功獲得穩(wěn)定重復(fù)的60秒非圓截面雙零偏濾器位型等離子體放電。
●2010年，成功實現(xiàn)了大于60多倍能量約束時間高約束模式(H模)等離子體放電，100秒1500萬攝氏度偏濾器長脈沖等離子體放電。
●2012年，成功獲得超過400秒的2000萬攝氏度高參數(shù)偏濾器等離子體；獲得穩(wěn)定重復(fù)超過30秒的高約束等離子體放電。
●2016年，實現(xiàn)電子溫度超過5000萬攝氏度、持續(xù)時間102秒的超高溫長脈沖等離子體放電。
●2017年，實現(xiàn)了穩(wěn)定的101.2秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束等離子體運(yùn)行，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。
●2018年，實現(xiàn)加熱功率超過10兆瓦，等離子體儲能增加到300千焦；在電子回旋與低雜波協(xié)同加熱下，等離子體中心電子溫度達(dá)到1億攝氏度。
●2021年5月28日，創(chuàng)造新的世界紀(jì)錄，實現(xiàn)可重復(fù)的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運(yùn)行。
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