大家好,我是“人造太阳”博士科普团的肖国梁,目前负责“人造太阳”超声分子束加料技术研发工作。看到这个问题,那么今天我来和大家聊聊受控核聚变,“人造太阳”。
万物生长靠太阳。科学家们长期致力于利用太阳发光发热的原理,为人类开发一种源源不断的清洁能源。因此,在地球上以探索清洁能源为目标的受控核聚变研究装置又被称为“人造太阳”。
2020年12月4日,新一代“人造太阳”——中国环流器二号M(HL-2M)装置建成并实现首次放电。该装置是我国目前规模最大、参数最高的先进托卡马克装置,将为我国深度参与国际热核聚变实验堆(ITER)计划及未来自主设计、建造聚变堆提供重要技术支撑。在探索聚变能的漫漫征途上,中国人又向“开发清洁能源 建设美丽中国”的梦想迈近了一大步。
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“人造太阳”从“核”而来
众所周知,原子能的利用包括核裂变和核聚变。核裂变是将较重的原子核分裂为较轻的原子核并释放出能量。而核聚变则是将较轻的原子核聚合反应而生成较重的原子核,并释放出巨大能量。太阳等恒星之所以发光发热,正是因为其内部持续不断地进行着轻核间的核聚变反应。
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核能中,我们已知的核裂变能已经应用于商业核电站的发电,而核聚变能尚在开发之中。受控核聚变是当代人类探索新能源和克服温室气体效应的尖端课题,与人类命运息息相关。一旦核聚变能源研究进入商业发电站建设阶段,使核聚变能源应用于核电产业,将从根本上解决人类对能源的需求问题。
然而要利用受控核聚变技术发电,用核聚变能点亮万家灯火却也绝非易事,实现受控核聚变的条件极其苛刻,一是燃料需达到极高的温度(1 亿摄氏度以上),但极端高温下的燃料无法用普通固体容器来盛装,为此,科学家们提出用强磁场的方式来约束处于极高温下的聚变燃料;二是具有足够的密度,从而提高燃料原子核之间碰撞而发生核聚变反应的概率;三是具备足够长的能量约束时间,将高温高密度的核反应条件维持足够长的时间,才能使核聚变反应得以持续进行。也就是说,燃料离子温度、密度、能量约束时间,这三个参数的乘积(“聚变三乘积”)必须达到一定值,才能满足聚变“点火”条件,如果把这比作是一场考试,聚变三乘积这三门功课的总分要达到一个分数线(只不过三个分数线是相乘不是相加)才能实现受控核聚变。因此,核聚变原理虽然简单,但聚变能开发却面临一系列科学技术挑战。
我国核聚变技术取得一系列突破
人类在上世纪 50 年代初成功试爆了第一颗氢弹,但氢弹是不可控的核聚变反应,不能作为提供能源的手段。自那以后,人类便致力于受控核聚变研究。由于受控核聚变与氢弹原理极其相似,一开始被蒙上了神秘的面纱,早期都是在极端保密的情况下开展研究的。第二次世界大战结束后几年, 英、美和苏联从各自的军事角度考虑, 一直在互相保密的情况下, 开展受控热核聚变研究。
与此同时,我国有远见卓识的科学家也在一直密切注视着国际上热核聚变研究的进展, 考虑在我国开展相应的研究工作。1955年, 在酝酿制定我国12年科技规划的时候, 钱三强、李正武和胡济民等科学家在中国率先倡导开展“可控热核反应”研究,建议将核聚变研究列入这一规划。次年, 在《1956—1967年科学技术发展远景规划纲要(草案)》中, 规定了12项科学研究重点,在第一项“原子能的和平利用”中, 明确提出“进行有关热核反应控制的研究”。
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从20世纪70年代末开始,我国的核聚变研究转向了托卡马克装置,并先后做了大量工作,取得了一系列成绩。比如,中国环流器二号 A 装置实现由低约束模式到高约束模式运行,使我国跻身成功实现高约束模式运行的少数国家之一;东方超环装置率先实现了百秒量级高约束模式运行;新一代“人造太阳”建成并实现首次放电。我国的科研人员攻关一个个难题,具备了独立自主建造大型核聚变装置的能力。
几十年来,人类在探索受控核聚变的研究道路上从未止步
2006年,中国、欧盟、美国、韩国、日本、俄罗斯和印度7方代表在巴黎爱丽舍宫正式签署了《成立国际组织联合实施国际热核聚变实验堆(ITER)计划的协定》,标志着国际热核聚变实验堆计划正式启动,开启了人类探索实现大规模受控核聚变反应的新征程。
我国承担的ITER采购包任务进展顺利,取得了一系列技术突破。比如,我国研发的第一壁采购包半原型部件在2016年成功通过高热负荷测试,在世界上率先通过认证。2019年9月,中核集团牵头的中法联合体与国际热核聚变实验堆组织签订了ITER主机安装一号合同,这是有史以来中国企业在欧洲市场中竞标的最大核能工程项目合同。该合同的签订标志着我国核聚变技术与人才积累、核电建设能力获得国际认可。参与国际热核聚变实验堆计划10多年来, 我国在聚变领域的科研实力大幅提升,中国核聚变技术由跟跑转向并跑,部分技术实现领跑。
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受控核聚变是人类又一次眺望远方时种下的梦想。尽管还有许多的问题摆在面前,但是一旦成功,全人类的能源短缺问题将得以真正解决,新技术也会让世界经济获得新的原动力。
古有夸父逐日、后羿射日,如今我们会全力向前,追梦“人造太阳”。 |