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让“人造太阳”从东方升起

让“人造太阳”从东方升起

中国“人造太阳”核心部件示意图(百度网)

让5000万摄氏度等离子体稳定持续燃烧100.12秒。这是中国超导托卡马克实验装置在今年7月创造的新纪录。其重大意义不仅在于实现了超高温度,而且在于检验了对等离子体百秒级高约束运行控制的模式。

中国超导托卡马克实验装置(即Experimental Advanced Superconducting Tokamak,缩写为EAST,也被称为“东方超环”)是在真空室内加入少量氢的同位素氘或氚,通过类似变压器的原理使其产生等离子体,然后提高其密度、温度使其发生聚变反应,反应过程中会产生巨大能量。其原理在本质上与太阳核聚变相似,因而,“东方超环”也被誉为中国的“人造太阳”。

核聚变的燃料是氘和氚,在自然界的存量近于无限。聚变产生巨量能源时几乎不会有污染物,也无放射性核废料,是目前已知的可最终解决人类能源和环境问题的最重要的途径之一。上世纪30年代,核聚变的原理就被提出来,但是产生可控核聚变需要的条件非常苛刻。我们知道,太阳中心温度可达1500万摄氏度,再加上巨大的压力,使核聚变能够进行。地球上,人类所能获得的压力条件有限,只能通过将温度提高至上亿度来弥补。而如此高的温度没有任何一种固体物质能承受,只能靠强大的磁场来约束,由此产生了磁约束核聚变。而产生强大磁场,进行磁约束核聚变的反应设备就是托卡马克装置(Tokamak)。其中央是一个环形的真空室,外面缠绕着线圈。在通电的时候,托卡马克装置的内部会产生巨大的螺旋型磁场,将其中的等离子体加热到很高的温度,以达到核聚变的目的。第一代托卡马克装置由苏联科学家阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明。

上世纪90年代初,中国引入了苏联的托卡马克装置,对其进行了大幅改进,建成超导装置HT-7。2003年3月,HT-7获得超过1分钟的等离子体放电,最长放电时间达到63.95秒,成为继法国之后,第二个能产生分钟量级高温等离子体放电的托卡马克装置。在HT-7基础上,中国科学家用10年时间,自主设计和建造出世界上首个全超导托卡马克装置EAST。EAST装置的主机部分高11米,直径8米,重400吨,由超高真空室、纵场线圈、极向场线圈等6大部件组成。它集中了超高温、超低温、超大电流、超强磁场和超高真空等多项极限。整个项目的国产化率达到90%以上,自研率在70%以上。取得的具有自主知识产权的技术和成果达68项之多。

EAST的建成使中国成为世界上少数几个拥有这种类型超导托卡马克装置的国家,并把中国的磁约束核聚变研究水平大幅推进到世界前沿。建成后,EAST进行了多次成功实验,并创下多项托卡马克运行的世界纪录。2012年,EAST实现30秒高约束等离子体放电。2013年1月,EAST又获重大实验成果,其辅助加热工程的中性束注入系统(NBI)在综合测试平台上成功实现100秒长脉冲氢中性束引出,初步验证了系统的长脉冲运行能力。2016年,EAST获得60秒完全非感应电流驱动(稳态)高约束模等离子体。接下来就是今年7月取得的骄人成就。

中国在大力推进自身托卡马克装置研制和实验的同时,积极参与国际热核聚变实验堆ITER计划。该计划是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一,其目标是在和平利用聚变能的基础上,探索聚变在科学和工程技术上的可行性。根据相关协议,为ITER计划提供部件是中国参与的重要方式。

2013年8月,我国研制生产出大电流高温超导直流电缆,这是向国际热核聚变实验堆供货的超导电缆,2016月4月,中国承担生产和设计的首个超大部件——脉冲高压变电站(PPEN)首台主变压器,运往ITER设施的建造地法国。2016年12月,由中核集团西南物理研究院自主研发制造的国际热核聚变核心部件——超热负荷第一壁原型件在国际上率先通过权威机构认证,这是中国对国际热核聚变项目的又一重大贡献。目前,中国在ITER的7方采购包进度中,已经上升为第一位。在核聚变领域,中国人扮演的再也不是可有可无的“小角色”。通过参与国际热核聚变实验堆ITER计划,中国也进一步提升了自己的设备制造能力,锻炼和培养了一批专才。

1亿摄氏度,1000秒,这是中国科学家和“东方超环”EAST追求的目标。因为只有将氘、氚的等离子体瞬间加热到1亿摄氏度,并至少持续1000秒,才能形成持续反应,核聚变才能为人类所利用。

在积极推进EAST实验的同时,中国已瞄准下一个奋斗目标:设计建设自己的下一代核聚变装置。2011年,中国聚变工程实验堆(CFETR)开始了设计研究。在过去的几年里,项目集中了中国磁约束聚变研究的骨干力量,形成实力强大的国家队,努力消化ITER和国际磁约束聚变堆设计和技术,并进行大胆创新。2015年8月,中国圆满完成了聚变工程实验堆概念设计。据悉,目前相关装置已完成设计研究并开始了工程化设计。可以期待的是,中国将在人类开发清洁而又无限的核聚变能源领域作出新的探索和实践,为“人造太阳”的早日升起作出突出贡献。

 

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