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      解決未來人類能源問題的終極途徑之一
      ——人造太陽

      2022-08-03 06:44:50
      中國科學(xué)探險 2022年4期
      關(guān)鍵詞:托卡馬克核聚變約束

      萬物生長靠太陽。科學(xué)家們長期致力于利用太陽發(fā)光發(fā)熱的原理,為人類開發(fā)一種源源不斷的清潔能源。因此,在地球上以探索清潔能源為目標(biāo)的受控核聚變研究裝置又被稱為“人造太陽”。聚變?nèi)剂想梢詮暮K刑崛。簧K械碾l(fā)生聚變反應(yīng)釋放的能量相當(dāng)于燃燒300升汽油。有人甚至說,聚變能一旦實(shí)現(xiàn),人類的文明發(fā)展將不再受制于能源。我們可以在寒冷的冬天種植熱帶水果,全天候不間斷地為糧食作物提供光源,星際旅行也將不再是夢想。

      2020年中央經(jīng)濟(jì)工作會議提出:“我國二氧化碳排放力爭2030年前達(dá)到峰值,力爭2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和?!蹦茉窗踩?、環(huán)境問題和氣候變化等問題日益突出,成為21世紀(jì)人類社會面臨的最嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一。核聚變能以其資源豐富、環(huán)境友好和固有安全性等優(yōu)勢將成為人類未來的理想能源,是目前認(rèn)識到的解決人類社會能源與環(huán)境問題的終極途徑之一,是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的有效技術(shù)方案之一。我國核能發(fā)展“熱堆—快堆—聚變堆”三步走戰(zhàn)略中,將聚變能作為解決能源問題的終極目標(biāo)。

      “人造太陽”從“核”而來

      眾所周知,原子能的利用包括核裂變和核聚變。核裂變是將較重的原子核分裂為較輕的原子核并釋放出能量。而核聚變則是將較輕的原子核聚合反應(yīng)而生成較重的原子核,并釋放出巨大能量。太陽等恒星之所以發(fā)光發(fā)熱,正是因?yàn)槠鋬?nèi)部持續(xù)不斷地進(jìn)行著輕核間的核聚變反應(yīng)。人類在20世紀(jì)50年代初成功試爆了第一顆氫彈,但氫彈爆炸是不可控的核聚變反應(yīng),不能作為提供能源的手段。自那以后,人類便致力于受控核聚變研究。

      受控核聚變實(shí)現(xiàn)的方式主要有兩種——磁約束核聚變和慣性約束核聚變。其中磁約束核聚變是用強(qiáng)磁場來約束高溫核聚變?nèi)剂稀?shí)現(xiàn)受控核聚變的條件十分苛刻,一是燃料需達(dá)到極高的溫度(1億攝氏度以上),但極端高溫下的燃料無法用普通固體容器來盛裝,為此,科學(xué)家們提出用強(qiáng)磁場的方式來約束處于極高溫下的聚變?nèi)剂?;二是具有足夠的密度,從而提高燃料原子核之間碰撞而發(fā)生核聚變反應(yīng)的概率;三是具備足夠長的能量約束時間,將高溫高密度的核反應(yīng)條件維持足夠長的時間,才能使核聚變反應(yīng)得以持續(xù)進(jìn)行。也就是說,燃料離子溫度、密度、能量約束時間,這三個參數(shù)的乘積(“聚變?nèi)朔e”)必須達(dá)到一定值,才能滿足聚變“點(diǎn)火”條件,實(shí)現(xiàn)受控核聚變。因此,核聚變原理雖然簡單,但聚變能開發(fā)卻面臨一系列科學(xué)技術(shù)挑戰(zhàn)。

      國際磁約束受控核聚變研究始于20世紀(jì)50年代,經(jīng)歷了從最初的少數(shù)幾個核大國進(jìn)行秘密研究、技術(shù)解密,再到世界范圍內(nèi)開放合作、共同參與的研究階段。在研究進(jìn)程中,也先后探索了箍縮、磁鏡、仿星器、托卡馬克等眾多途徑,目標(biāo)都圍繞如何提高等離子體的關(guān)鍵參數(shù),最終滿足受控核聚變反應(yīng)的條件。從20世紀(jì)70年代開始,托卡馬克途徑逐漸顯示出獨(dú)特優(yōu)勢,成為磁約束核聚變研究的主流途徑。國際磁約束聚變界通過幾十年努力,在核聚變研究領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展,裝置的“聚變?nèi)朔e”提升了幾個數(shù)量級,但要實(shí)現(xiàn)受控核聚變,關(guān)鍵技術(shù)上仍存在很大挑戰(zhàn),需凝聚全世界之力共同攻克。1985年,國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃提出,其目的就是希望通過國際合作,建造一座核聚變反應(yīng)堆,以驗(yàn)證核聚變能和平利用的科學(xué)可行性和工程技術(shù)可行性。

      2006年11月,中國、歐盟等七方簽署啟動國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃協(xié)定。目前,該計(jì)劃是全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國際科研合作項(xiàng)目之一,將集成當(dāng)今國際上受控磁約束核聚變的主要科學(xué)技術(shù)成果,解決大量技術(shù)難題。首次建造可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模聚變反應(yīng)的聚變實(shí)驗(yàn)堆,是實(shí)現(xiàn)“人造太陽”能源夢想的關(guān)鍵一步,因此備受各國政府與科技界重視和支持。

      我國核聚變技術(shù)取得一系列突破

      我國的受控核聚變研究幾乎與國際同步。1956年,正值我國制定“十二年科技規(guī)劃”之際,錢三強(qiáng)、李正武等科學(xué)家倡議在我國開展“可控?zé)岷朔磻?yīng)”研究,以探索核聚變能的和平利用。1965年,我國成立聚變能開發(fā)專業(yè)研究基地,并于1984年建成我國核聚變領(lǐng)域第一座大科學(xué)裝置——中國環(huán)流器一號托卡馬克裝置。它是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(jì)、建造、運(yùn)行核聚變實(shí)驗(yàn)研究裝置積累了豐富經(jīng)驗(yàn),培養(yǎng)了人才隊(duì)伍。

      自2008年我國科學(xué)技術(shù)部成立國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆核聚變中心以來,我國陸續(xù)承擔(dān)了18個采購包的制造任務(wù),共有上百家科研院所、企業(yè)直接參與。在核聚變中心的領(lǐng)導(dǎo)和組織協(xié)調(diào)下,核工業(yè)西南物理研究院及中科院等離子體物理研究所等單位,充分發(fā)揮在聚變實(shí)驗(yàn)研究裝置和聚變堆關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)方面的優(yōu)勢,聯(lián)合國內(nèi)相關(guān)院校及企業(yè)展開了技術(shù)攻關(guān)。

      我國承擔(dān)的國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆采購包任務(wù)進(jìn)展順利,取得了一系列技術(shù)突破。比如,我國研發(fā)的第一壁采購包半原型部件在2016年成功通過高熱負(fù)荷測試,在世界上率先通過認(rèn)證,同時也帶動了我國其他相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展。2019年9月,中核集團(tuán)牽頭的中法聯(lián)合體與國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆組織簽訂了ITER主機(jī)安裝一號合同,這是有史以來中國企業(yè)在歐洲市場中競標(biāo)的最大核能工程項(xiàng)目合同。該合同的簽訂標(biāo)志著我國核聚變技術(shù)與人才積累、核電建設(shè)能力獲得國際認(rèn)可。

      參與國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃10多年來,我國在聚變領(lǐng)域的科研實(shí)力大幅提升,在聚變等離子體物理、聚變堆材料、加熱與控制技術(shù)等領(lǐng)域的研發(fā)能力和技術(shù)水平取得長足進(jìn)步,中國核聚變技術(shù)由跟跑轉(zhuǎn)向并跑,部分技術(shù)實(shí)現(xiàn)領(lǐng)跑。

      此外,中國在托卡馬克實(shí)驗(yàn)和物理研究方面也取得了一系列創(chuàng)新性成果,多個裝置為前沿聚變物理研究提供了重要平臺。比如,中國環(huán)流器二號A裝置實(shí)現(xiàn)由低約束模式到高約束模式運(yùn)行,使我國躋身成功實(shí)現(xiàn)高約束模式運(yùn)行的少數(shù)國家之一;東方超環(huán)裝置率先實(shí)現(xiàn)了百秒量級高約束模式運(yùn)行。

      力爭21世紀(jì)中葉實(shí)現(xiàn)聚變能應(yīng)用

      國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃是聚變能發(fā)展中的關(guān)鍵一步,也是各國聚變能發(fā)展路線圖中的關(guān)鍵設(shè)施。計(jì)劃一旦達(dá)到目標(biāo),人類將在21世紀(jì)中葉實(shí)現(xiàn)聚變能的應(yīng)用。

      當(dāng)前,相關(guān)國家正集中力量完成該計(jì)劃采購包等任務(wù)并保障資源,確保國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆的成功建設(shè)與運(yùn)行。一方面利用現(xiàn)有不同規(guī)模的磁約束聚變研究裝置,開展聚變等離子體物理與相關(guān)技術(shù)研究,尤其是與ITER計(jì)劃相關(guān)的先行物理實(shí)驗(yàn)及有關(guān)技術(shù)研發(fā)。2020年,我國新一代“人造太陽”——中國環(huán)流器二號M裝置在四川成都建成,它是我國目前規(guī)模最大、參數(shù)最高的先進(jìn)托卡馬克裝置,將為我國深度參與國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃及未來自主設(shè)計(jì)、建造聚變堆提供重要技術(shù)支撐。

      另一方面,積極謀劃并開展未來聚變堆關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)。當(dāng)前聚變能研發(fā)已逐步進(jìn)入聚變堆核工程可行性階段。在參加國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃同時,我國聚變研究應(yīng)以未來建堆所涉及的前沿科學(xué)技術(shù)為攻關(guān)方向,開展聚變堆總體設(shè)計(jì)、聚變堆芯關(guān)鍵技術(shù)等研發(fā),發(fā)展聚變能開發(fā)核心技術(shù),加強(qiáng)國內(nèi)與ITER計(jì)劃相關(guān)的聚變能技術(shù)研究和創(chuàng)新。培養(yǎng)一支穩(wěn)定的高水平核聚變能研發(fā)隊(duì)伍,培育和帶動一批企業(yè)全面參與聚變堆關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與部件設(shè)計(jì)制造,建設(shè)和完善國家聚變能研發(fā)體系,建立國際一流研究平臺。

      我們將發(fā)揚(yáng)協(xié)同創(chuàng)新精神,夯實(shí)自立自強(qiáng)根基,實(shí)現(xiàn)“人造太陽”在21世紀(jì)中葉閃耀世界的能源夢想。

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