人类渴望在地球上模拟太阳内部的核聚变把能量输送给电站

文章作者:bianji3 | 2018-12-13
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有“人造太阳”之称的全超导托卡马克大科学装置EAST本文图均为 科技日报微信公众号 图

  价值400万元人民币的羽绒服、牛仔裤能派上什么用场?20多年前,它们换来了的中国的第一个“人造太阳”。

  人类渴望在地球上模拟太阳内部的核聚变,期望能够把其惊人的能量稳定地输送给电站。托卡马克是人们实现“完美能源”的希望,也被称为“人造太阳”。

  上世纪50年代开始,世界各国都在研制托卡马克。90年代初,苏联已经着手开发第二代托卡马克,有意把第一代装置送给其他国家,这对于“零起步”的中国而言机会难得。

      时任中科院等离子体物理研究所所长的霍裕平院士提议,用牛仔裤、羽绒服和他们换!

  于是,“我们用400万人民币的羽绒服、牛仔裤、瓷器等生活物资换来一个当时价值1800万卢布的装置。”中国工程院院士李建刚说。

  经过三年半时间的拆解、改造,中国科学家在这个新装置上实现了优于其他国家的实验成绩。但要实现核聚变,必须建造新一代全超导托卡马克核聚变实验装置。

  2006年9月,中国自主设计建造的世界首个全超导非圆截面核聚变装置EAST建成,与国际同类实验装置相比,它在当时获得四项世界“第一”,即使用资金最少、建设速度最快、投入运行最早、运行后获得等离子放电最快。

  由美、法等国在20世纪80年代中期发起的、旨在建立世界上第一个受控热核聚变实验反应堆的ITER计划也正是在这时才将中国吸纳为七方合作成员之一。

  从“逐日”到“并跑”

  海水中大量蕴藏的同位素氘和氚在聚变成一个氦原子的过程中,能够释放出的巨大能量,和太阳产生光和热的过程相似。如果人类掌握了核聚变能源,将拥有可使用上十亿年的清洁能源。

  因此,受控热核聚变实验装置被人们称之为“人造太阳”,是地球寻找能源出路的希望。被寄予最大希望的核聚变实验方案叫“托卡马克”——用超强的磁场约束高温的核燃料。

聚变堆工作原理 李建刚 图

  “人造太阳”这场追梦旅程是从上世纪50年代开始,那个时候全世界都在做托卡马克。“中国拥有的第一个半超导核聚变装置是上世纪九十年代,从国外引进后加以改造发展的。”中国工程院院士李建刚回忆。

  科学家们花了一年半的时间把它全部拆掉,又花了两年的时间把它装起来,在这上面做了大量的实验。中科院等离子所副所长宋云涛说:“其他国家都做到几秒钟,我们在这个装置上面做到了1000万摄氏度持续60秒放电。”但要实现核聚变,我们必须造一个全超导托卡马克。

这是利用磁场对等离子进行约束的托卡马克装置

  “中国要有自主建造的核聚变实验装置!”1998年等离子体所成立团队,目标是建设世界首个全超导非圆截面核聚变装置EAST,它的中文名字“东方超环”寄予着中国科学界的巨大期望。

  等离子体所成立12个研究室,两个技术支撑中心,攻克一个个难关。绝缘子是核心部件,这种只有圆珠笔大小的部件需要几百个,国外报价一个上千美元。科学家们咬咬牙:“太贵了,不信这个东西我们自己做不成!”。

  于是,潘皖江博士带领一个小组,历时3年,终于将绝缘子研制成功。然而导体研制、水冷系统、精密加工……一个个难关,一次次失败却接踵而至。有的科学家在国外求解技术难点时,为了节约经费,宁愿每天在冰天雪地里走40多分钟。年近古稀的老科学家高温中晕倒在实验室,醒来第一句话就是问工作怎样了……

这是有“人造太阳”之称的全超导托卡马克大科学装置EAST(8月16日摄)。 新华社 资料图

  2006年9月,中国自主设计建造的EAST建成,并完成了首次成功放电,获得电流200千安、时间接近3秒的高温等离子体放电。与国际同类实验装置相比,它在当时获得四项世界“第一”,即使用资金最少、建设速度最快、投入运行最早、运行后获得等离子放电最快。

  由美、法等国在20世纪80年代中期发起的、旨在建立世界上第一个受控热核聚变实验反应堆的ITER计划也正是在这时才将中国吸纳为七方合作成员之一。

  投入100亿,加入ITER计划

  2003年中国正式以“平等伙伴”身份加入了ITER计划谈判。

  2006年11月,时任科技部部长徐冠华在法国爱丽舍宫签署ITER计划《联合实施协定》和《特权与豁免协定》。2007年8月,全国人大正式审议通过该协定文件。2007年10月ITER国际聚变能组织正式成立。2008年10月,科技部核聚变中心挂牌成立。

ITER反应堆运作图

  这一路走来,背后的艰辛磨难是难以想象的,也伴随着诸多的争议。

  核聚变中心研究员潘传红说,当时的美、俄、日、欧四方,在十几年时间内,投入15亿美元进行设计。中国加入ITER计划,实际上包含了对设计技术的解读与消化,以便用于我们国家未来的聚变能源的发展规划。

  然而当时中国科研经费有限,是否以“平等伙伴”身份加入有争议。

  “加入的门槛是10%,10%差不多100亿人民币,当时国家的整体实力也并不强,科研的投入也不像现在,在当时科研投入总的经费也不多,所以有很多反对的声音,认为我们国家出这么多钱加入这么一个项目是不是值。”科技部中国国际核聚变能源计划执行中心主任罗德隆说。

  在参加ITER计划谈判期间,科技部、外交部、财政部、教育部、中科院、国家自然科学基金委、中核集团公司等部委和单位历经了多次论证,最终我国正式以平等伙伴身份加入了ITER计划谈判,中国人终于成为这一重要国际舞台的平等一方。

  自2008年以来,我国陆续承担了18个采购包的制造任务,涵盖了ITER装置几乎所有关键部件,由上百家科研院所、企业承担。在ITER采购包研发制造过程中,取得了重大突破,解决了一系列聚变工程关键技术。

  截至目前,我国交付ITER计划的采购包部件实现了100%国产化,而且全部一次性100%合格,并按期交付。ITER组织两任总干事对中方的评价是“中国在采购包的研发、生产方面领先于各方”。

  中国核聚变技术领跑世界

  经过多年不懈努力,我国先后建成并升级改造了中国环流器二号A和东方超环EAST,用于在近堆芯的高参数条件下研究等离子体的稳态和先进运行,深入探索实现聚变能源的工程、物理问题。

  中国环流器二号A是我国第一个带偏滤器的大型托卡马克聚变研究装置。自装置建成以来,在国内实现了三步跨越:第一步,磁位形由限制器位形到偏滤器位形的跨越;第二步,等离子体电子温度达5500万度,是迄今国内装置达到的最高温度;第三步,等离子体约束模式由低约束模式到高约束模式的跨越。

  尤其是2009年4月18日,中国环流器二号A在国内首次实现了高约束模式运行,使得我国成为继美、日、欧之后第四个实现高约束模式运行的国家。

中法科学家见证EAST遥操作维护系统调试成功。资料图

  EAST是世界上第一个“全超导非圆截面托卡马克装置”。近年来,EAST一直走在国际竞争最前列,在高性能、稳态、长脉冲等离子体研究方面成绩傲人。

  2017年7月3日晚,EAST装置在世界上首次实现了5000万度等离子体持续放电101.2秒的高约束运行,实现了从30秒到60秒,再到百秒量级的跨越。再次创造了核聚变新的世界纪录。

这是2018年度EAST物理实验后,科研人员在进行EAST装置内部检查(8月29日摄)。 新华社 资料图

  2018年11月12日,中科院等离子体物理研究所发布消息: EAST近期实现了等离子体中心电子温度达到1亿摄氏度等多项重大突破,获得的实验参数接近未来聚变堆稳态运行模式所需要的物理条件,朝着未来聚变堆实验运行迈出了关键一步。

  这些里程碑性的重要突破,表明我国磁约束聚变研究在稳态运行的物理和工程方面继续走在国际前沿,对国际热核聚变试验堆(ITER)和未来中国聚变工程试验堆(CFETR)建设和运行具有重大的科学意义。

  事实上,与ITER相比,EAST只有其1/4大小,但EAST的成功经验已经支撑了ITER的建设。如研制出可通过90千安电流的高温超导电流引线,使ITER制冷电耗每年减少2/3以上;证明ITER磁体电源设计方案存在的风险,并设计出新方案。宋云涛这样展望未来:“EAST必将对ITER及下一代聚变装置做出更多世界级的、独一无二的贡献。”

中国工程聚变堆设计图

  CFETR于2011年启动设计研究。根据中国科学家的设想,CFETR共分两期完成。

      一期采取类ITER技术,目标是稳定运行;二期则以自主创新为主,目标是示范核聚变发电。CFETR的任务是在ITER和未来的核聚变电站之间建起桥梁。CFETR被期望在后期阶段实现“Q大于25”的目标,即每消耗1份能量,释放出25份能量;而ITER的目标是Q大于10。

CFETR概念图

  当然,CFETR的设计制造也要借助世界各国的专家人才。世界聚变研究发达国家美国、德国、法国、意大利等已经全面参与CFETR的设计;俄罗斯同行也表示将深入参与CFETR计划。

      目前,CFETR装置已完成设计研究并开始了工程化设计,有望在未来几年启动。

  在开发核聚变能的路上,中国已从“追赶者”“并跑者”,成长为具备强大国际输出能力的“领跑者”。

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