可控核聚變裝置俗稱“人造太陽”核心安裝開啟

2020-06-15 16:52:23來源：經(jīng)濟(jì)日報

可控核聚變裝置俗稱“人造太陽”，是照亮人類未來的終極能源夢想。近日，我國傳來好消息：由中核集團(tuán)牽頭的中法聯(lián)合體為“人造太陽”核心設(shè)備安裝工作全面開展創(chuàng)造了有利條件——這是中國向核能高端市場邁出的實質(zhì)性步伐，將為我國深度參與聚變國際合作、自主設(shè)計建造未來中國聚變堆奠定堅實基礎(chǔ)。

近日，位于法國的世界上最大的核聚變反應(yīng)堆——國際熱核聚變實驗堆(ITER)項目迎來了重要里程碑時刻，施工人員開始安裝反應(yīng)堆托卡馬克的首個主要部件。此前，由中核集團(tuán)牽頭的中法聯(lián)合體按期開展了相關(guān)安裝底座——杜瓦底座的接收及吊裝準(zhǔn)備工作，為核心設(shè)備安裝工作全面開展創(chuàng)造了有利條件。這是中國向核能高端市場邁出的實質(zhì)性步伐，將為我國深度參與聚變國際合作、自主設(shè)計建造未來中國聚變堆奠定堅實基礎(chǔ)。

從“靠太陽”到“造太陽”

可控核聚變裝置俗稱“人造太陽”，是全球核聚變?nèi)艘淮恿Ρ寂埽铝τ谡樟寥祟愇磥淼慕K極能源夢想。伴隨全球人口增長與經(jīng)濟(jì)發(fā)展，能源需求將持續(xù)增長。然而，地球化石燃料的儲量有限，尋找未來能源成為當(dāng)務(wù)之急。

萬物生長靠太陽，無論是傳統(tǒng)的化石能源，還是風(fēng)能、生物能等新型能源，其本質(zhì)都是太陽能。而太陽的能量，科學(xué)家們早已探明究竟：來自其內(nèi)部的核聚變反應(yīng)。

那么，我們是否可以模擬太陽產(chǎn)生能量的原理，研發(fā)可控核聚變技術(shù)，從而制造“太陽”呢?

專家的回答是肯定的：不僅可以，而且是必須。

“可控核聚變是目前人類認(rèn)識到的，可以最終解決人類社會能源與環(huán)境問題、推動人類社會可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。”中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院院長段旭如表示。

從必要性來說，化石能源不可再生且有污染，風(fēng)能、水能不穩(wěn)定，核裂變能原料有限、核廢料有放射性污染，因此，需要尋找資源豐富、清潔高效的新能源——目前，最有可能擔(dān)當(dāng)這一角色的只有可控核聚變能。而且，可控核聚變不排放有害氣體，有利于解決當(dāng)前的環(huán)境污染問題。

從可行性來說，核聚變的原料是氫的同位素(氘和氚)，地球上含量極為豐富。“氘在海水中儲量極大，1公升海水里提取出的氘，在完全聚變反應(yīng)后，可釋放相當(dāng)于燃燒300公升汽油的能量。”段旭如說。

一字之差的困難

從核裂變到核聚變，從不可控到可控——僅一字之差，但技術(shù)難度差別太大了。“世界上首顆原子彈爆炸后不到10年，核裂變技術(shù)就實現(xiàn)了和平利用，建成了核電站。”中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院特聘研究員鐘武律說，因此，許多人曾樂觀地認(rèn)為，用不了多久就能實現(xiàn)核聚變的和平利用——然而，經(jīng)過全世界科學(xué)家超過半個世紀(jì)的努力，至今仍未成功。

鐘武律做了一個簡單比較。太陽能穩(wěn)定核聚變，是因其內(nèi)部不僅有1500萬攝氏度以上的高溫，且約有3000億個大氣壓的超高氣壓。而地球上無法達(dá)到如此高的氣壓，只能在高溫上下功夫了，需要把溫度提高到上億攝氏度才行。“先不說如何產(chǎn)生這么高的溫度，就算產(chǎn)生了，也找不到容器‘盛放’它。”鐘武律說，地球上最耐高溫的金屬材料鎢在3000多攝氏度就會熔化。

不過，人類不會被困難嚇倒。20世紀(jì)50年代開始，科學(xué)家們就經(jīng)歷了一系列磁約束技術(shù)路線的探索，到上世紀(jì)60年代，前蘇聯(lián)科學(xué)家提出托卡馬克方案，效果驚人，備受關(guān)注。托卡馬克，簡單來說是一種利用磁約束來實現(xiàn)受控核聚變的環(huán)形容器。它的中央是一個環(huán)形真空，外面圍繞著線圈。通電時，其內(nèi)部會產(chǎn)生巨大螺旋形磁場，將其中的等離子體加熱到很高溫度，以達(dá)到核聚變目的。

“核聚變能是清潔安全的，但仍需科學(xué)普及。”段旭如表示，就聚變堆而言，燃燒等離子體被約束在真空室內(nèi)，且所含聚變堆中的氘氚燃料含量低，不會爆炸，也不會導(dǎo)致泄漏，幾乎沒有放射性污染。

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我國可控聚變研究始自上世紀(jì)50年代，幾乎與國際上聚變研究同步。

1965年，根據(jù)建設(shè)需要，我國建立了當(dāng)時國內(nèi)最大的聚變研究基地——西南物理研究所，也就是中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院的前身。

正是在這里，中國核聚變領(lǐng)域第一座大科學(xué)裝置——中國環(huán)流器一號(HL-1)托卡馬克裝置于1984年建成，成為我國核聚變研究史上的一個重要里程碑。它的成功建造與運(yùn)行為我國自主設(shè)計、建造、運(yùn)行核聚變實驗研究裝置積累了豐富經(jīng)驗，培養(yǎng)了我國第一批核聚變工程技術(shù)及實驗運(yùn)行人才隊伍，為我國發(fā)展更高參數(shù)的磁約束聚變大科學(xué)裝置奠定了堅實基礎(chǔ)。

從此，中國磁約束聚變一步步從無到有，從小到大。1995年，中國第一個超導(dǎo)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(huán)流器二號A(HL-2A);2006年，世界上第一個全超導(dǎo)托卡馬克裝置東方超環(huán)(EAST)首次等離子體放電成功……

預(yù)計今年在四川成都投入運(yùn)行的“中國環(huán)流器二號M”裝置，將成為我國規(guī)模最大、參數(shù)最高的磁約束可控核聚變實驗研究裝置。它可將我國現(xiàn)有裝置的最高等離子體電流從1兆安培提高到3兆安培，離子溫度也將達(dá)到1億攝氏度以上。

人類的共同目標(biāo)

正如太陽造福于整個地球，“人造太陽”的研制，將為人類帶來巨大福祉。但其技術(shù)挑戰(zhàn)大，研發(fā)困難重重，因此需集全球之力共同來攻克。

基于此，國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃2006年應(yīng)運(yùn)而生，由中國、美國、歐盟、俄羅斯、日本、韓國和印度7方參與，計劃在法國普羅旺斯地區(qū)共同建造一個電站規(guī)模的聚變反應(yīng)堆，也即世界上最大的托卡馬克裝置。ITER是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國際科技合作項目之一，凝聚了國際聚變界多年來的研究成果以及國際聚變界的技術(shù)力量。

“該項目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(dān)了約9%的采購包研發(fā)任務(wù)。”段旭如表示：“簽署這個計劃，正是希望集中全球科技力量，共同攻克難題。”

“這些年來，我國磁約束聚變研究進(jìn)展得益于參加ITER計劃。”段旭如說，利用這一良好國際合作平臺，在國家有關(guān)部委的大力支持下，我國核聚變研究實現(xiàn)了高質(zhì)量發(fā)展，磁約束核聚變研究從過去的跟跑步入了并跑階段，部分技術(shù)達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。

中國的積極參與也推動了ITER計劃的快速發(fā)展。鐘武律表示，參加ITER計劃以來，中國積極參與建設(shè)，承擔(dān)著諸多核心部件研發(fā)制造(采購包)任務(wù)。“目前，中國承擔(dān)的ITER采購包，不管是在研發(fā)進(jìn)度還是在完成質(zhì)量方面，均處于7方的前列，為ITER建設(shè)貢獻(xiàn)了中國力量與智慧。在國際聚變舞臺上，中國有了更大的話語權(quán)。”

除了承擔(dān)中方承諾的任務(wù)外，中方還積極爭取ITER其他關(guān)鍵任務(wù)。去年9月，中核集團(tuán)牽頭拿下了ITER迄今金額最大的主機(jī)總裝1號合同。這個工程安裝的是ITER裝置最重要的核心設(shè)備，其重要性相當(dāng)于核電站的反應(yīng)堆、人體里的心臟。這是有史以來中國企業(yè)在歐洲市場中標(biāo)的最大核能工程項目合同。

“通過國際競標(biāo)拿到了ITER項目最核心部分的安裝工程，證明我們的團(tuán)隊在世界上是領(lǐng)先的。”中核集團(tuán)董事長余劍鋒表示。

“從ITER計劃的進(jìn)展以及國際核聚變發(fā)展進(jìn)程看，我們有信心到本世紀(jì)中葉實現(xiàn)可控的核聚變發(fā)電。”段旭如充滿信心。

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