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新一代“人造太陽”又迎突破,離核聚變點火更近一步

發(fā)布時間:2022-11-08 11:30:00來源: 科技日報

  新一代“人造太陽”又迎突破,離核聚變點火更近一步

  提高三乘積,讓可控核聚變走向現(xiàn)實

  ◎?qū)嵙曈浾?都 芃

  依托現(xiàn)有核科技工業(yè)體系,凝聚核工程領域具有專業(yè)經(jīng)驗和技術基礎的相關研究單位和企業(yè),逐步搭建聚變能的技術開發(fā)體系和工業(yè)體系,集中力量開展核聚變工程和技術攻關,再經(jīng)過三十年左右的時間,也就是到2050年左右,人類將能利用核聚變能源。

  段旭如

  中核集團核聚變堆技術領域首席專家

  核聚變,是一種核反應的形式,即輕原子核(例如氘和氚)結(jié)合成較重原子核(例如氦)時放出巨大能量的過程。在不加約束的情況下,核聚變往往是劇烈而不可控的。長期以來,實現(xiàn)可控核聚變,為人類的發(fā)展提供源源不斷的能源是人們的愿景。核聚變點火作為實現(xiàn)可控核聚變的關鍵步驟,是實現(xiàn)可控核聚變的前提和基礎。如今,實現(xiàn)核聚變點火這一目標,正在逐漸走向現(xiàn)實。

  近日,中核集團核工業(yè)西南物理研究院傳來捷報,我國新一代“人造太陽”(HL-2M)等離子體電流首次突破100萬安培(1兆安)。

  100萬安培電流是個什么概念?有怎樣的關鍵意義?專家指出,達到100萬安培這個數(shù)字,標志著我國“人造太陽”向著核聚變點火邁出了重要一步。

  三大關鍵參數(shù),實現(xiàn)聚變點火必要條件

  如果說通過分裂重原子核來產(chǎn)生能源的核裂變,是將原本完整的鏡子打碎,那么核聚變可以說恰恰相反,其產(chǎn)生能源的方式是將打碎的鏡子復原,通過“破鏡重圓”來釋放能量。

  中核集團核工業(yè)西南物理研究院聚變科學所副所長(主持工作)、HL-2M實驗負責人鐘武律向科技日報記者介紹,核聚變產(chǎn)生能源的基本原理是由于氫的同位素——輕原子核氘和氚結(jié)合成較重的原子核氦時會釋放巨大能量。太陽內(nèi)部便每時每刻都在發(fā)生著類似的核聚變反應,從而源源不斷地發(fā)出光和熱。

  而想要兩個原本獨立的原子核克服各種阻礙合為一體,就需要溫度、密度、約束時間等參數(shù)滿足極為苛刻的條件。否則反應無法維持,核聚變就不會發(fā)生。

  英國物理學家勞森在上世紀50年代對核聚變反應堆的能量平衡問題進行深入研究后,提出了核聚變研究中著名的“勞森判據(jù)”,即當核聚變反應的能量產(chǎn)出率大于能量損耗率,并且有足夠能量使核聚變反應穩(wěn)定持續(xù)時,通常意味著核聚變點火成功。利用具體的計算公式,目前可以將勞森判據(jù)直觀地轉(zhuǎn)換為對溫度、密度、約束時間這三個參數(shù)的乘積,即所謂聚變?nèi)朔e大小的判斷。

  鐘武律表示,衡量核聚變裝置及核聚變研究的水平,主要看三個參數(shù):燃料的離子溫度、等離子體密度和能量約束時間,三者缺一不可。

  而在磁約束核聚變裝置中,上述三個參數(shù)中的等離子體密度和能量約束時間恰恰與等離子體電流成正比?!暗入x子體電流越高,等離子體密度和能量約束時間這兩個參數(shù)就越高,就可以更加接近點火要求的聚變?nèi)朔e。”鐘武律說,“因此,如果根據(jù)聚變?nèi)朔e的結(jié)果倒推,未來托卡馬克要實現(xiàn)穩(wěn)定運行,等離子體電流必須超過1兆安?!?/p>

  此外,鐘武律還介紹,聚變堆的聚變功率與等離子體電流的平方成正比,等離子體電流若提升10倍,聚變功率便可提升100倍。

  多種先進技術,不斷刷新各項國內(nèi)國際紀錄

  “勞森判據(jù)”已經(jīng)指出實現(xiàn)核聚變點火需要提高的三個參數(shù),實現(xiàn)核聚變點火似乎已經(jīng)變成一場“開卷”考試??墒谴鸢鸽m已寫明,“解題”過程卻仍需不斷探索。圍繞著提高聚變?nèi)朔e、實現(xiàn)核聚變點火這一最終目標,多年來,我國的托卡馬克裝置不斷刷新著新的紀錄。

  托卡馬克裝置通常有著大體相似的結(jié)構(gòu),鐘武律向記者介紹,托卡馬克裝置的中央是一個環(huán)形真空室,里面注滿氣體,外面纏繞著線圈。線圈通電后,會在托卡馬克內(nèi)部產(chǎn)生巨大的螺旋型磁場,里面的氣體將被電離成等離子體并形成等離子體電流。當?shù)入x子體被加熱到極高溫度后,便可實現(xiàn)核聚變。

  在此次新一代“人造太陽”HL-2M實現(xiàn)等離子電流1兆安突破前,我國的另一個“人造太陽”,由中國科學院等離子體所研制的被稱為東方超環(huán)的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置(EAST)也頻頻進入大眾視野。它也是我國自主設計的世界首個非圓截面全超導托卡馬克。

  在突破聚變?nèi)朔e的道路上,常規(guī)的托卡馬克裝置存在著一定的固有缺陷。目前,世界上的多數(shù)托卡馬克裝置主要以實驗研究為目的,要不斷對約束等離子體的磁場的形態(tài)和性質(zhì)進行深入研究。這就要求其約束磁場能夠長時間穩(wěn)定運行。雖然磁場可以約束上億攝氏度的等離子體,但是其本身卻并不穩(wěn)定。維持強大的約束磁場,需要非常大的電流。但是普通線圈在高強度、長時間通電后難免會大量發(fā)熱。如果僅從這一角度來看,常規(guī)托卡馬克在長時間穩(wěn)定運行方面存在著諸多挑戰(zhàn)。

  為了解決常規(guī)托卡馬克的瓶頸,超導技術便被引入到了托卡馬克建設中。超導材料由于具有顯著的零電阻特性,幾乎不產(chǎn)生電阻熱,可以通過強大的電流穩(wěn)定地產(chǎn)生強磁場,因此被認為是未來托卡馬克裝置的重要組成部分。

  作為全球首個全超導托卡馬克,EAST的中間是高11米、直徑8米的圓柱形大型超導磁體,外側(cè)則由超導材料制成的線圈圍成。得益于超導材料的零電阻等特性,EAST在運行過程中可以大大節(jié)省供電功率,并且長時間維持磁體工作。因此,EAST在能量約束時間這一參數(shù)上具有格外強大的優(yōu)勢。

  同時,借助電子回旋與低雜波協(xié)同加熱等技術,EAST在建成后先后成功突破等離子體中心電子溫度1億攝氏度、可重復的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行、1056秒的長脈沖高參數(shù)等離子體運行等多項國內(nèi)、國際紀錄。

  作為我國最新一代托卡馬克裝置,HL-2M采用的是常規(guī)磁體,應用了先進的結(jié)構(gòu)與控制方式。鐘武律表示,HL-2M的等離子體體積是國內(nèi)同類裝置的2倍以上,在未來,其等離子體電流能力將提高到2.5兆安以上。

  一個宏偉目標,力圖2050年實現(xiàn)能源化利用

  今年兩會期間,中核集團核聚變堆技術領域首席專家、國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃科技咨詢委員會副主席段旭如表示,若依托現(xiàn)有核科技工業(yè)體系,凝聚核工程領域具有專業(yè)經(jīng)驗和技術基礎的相關研究單位和企業(yè),逐步搭建聚變能的技術開發(fā)體系和工業(yè)體系,集中力量開展核聚變工程和技術攻關,再經(jīng)過三十年左右的時間,也就是到2050年左右,人類將能利用核聚變能源。

  目前在磁約束核聚變領域,集結(jié)了全球多個主要經(jīng)濟體的“國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃”最為受人矚目。該計劃的目標是建設能產(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應的托卡馬克裝置。

  段旭如表示,我國自2006年正式參加ITER計劃以來,承擔了ITER裝置重要關鍵部件的制造任務。我國多個托卡馬克裝置在吸收ITER先進技術的同時,也為ITER計劃提供了寶貴的研究參考。利用ITER計劃這一良好國際合作平臺,我國的聚變研究得到了快速發(fā)展,磁約束核聚變研究從過去的跟跑步入了并跑階段,部分技術達到國際領先水平。

  此次實現(xiàn)突破的HL-2M裝置接下來也將繼續(xù)與ITER計劃展開合作,開展相關物理實驗,力爭掌握或突破聚變堆工程相關技術,如高功率輔助加熱和電流驅(qū)動、偏濾器排灰排熱、聚變產(chǎn)物診斷等關鍵技術。

  鐘武律表示,HL-2M不僅可以實現(xiàn)高參數(shù)的等離子放電,其離子溫度也可達到1.5億攝氏度,實現(xiàn)與聚變堆相關的高密度、高比壓、高自舉電流等離子體運行。在未來,HL-2M將繼續(xù)有條不紊地開展后續(xù)實驗工作,沖擊更高的等離子體電流和離子溫度等參數(shù),全面提升聚變?nèi)朔e,實現(xiàn)我國“人造太陽”研究的新飛躍。

(責編:常邦麗)

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