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全球最大“人造太陽”核心安裝開啟

經(jīng)濟(jì)日報(bào)發(fā)布時(shí)間:2020-06-16 10:19:42

起重機(jī)將國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆的杜瓦底座吊入托卡馬克基坑內(nèi)。

中核集團(tuán)建造的中國環(huán)流器二號。

可控核聚變裝置俗稱“人造太陽”,是照亮人類未來的終極能源夢想。近日,我國傳來好消息:由中核集團(tuán)牽頭的中法聯(lián)合體為“人造太陽”核心設(shè)備安裝工作全面開展創(chuàng)造了有利條件——這是中國向核能高端市場邁出的實(shí)質(zhì)性步伐,將為我國深度參與聚變國際合作、自主設(shè)計(jì)建造未來中國聚變堆奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

近日,位于法國的世界上最大的核聚變反應(yīng)堆——國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)項(xiàng)目迎來了重要里程碑時(shí)刻,施工人員開始安裝反應(yīng)堆托卡馬克的首個(gè)主要部件。此前,由中核集團(tuán)牽頭的中法聯(lián)合體按期開展了相關(guān)安裝底座——杜瓦底座的接收及吊裝準(zhǔn)備工作,為核心設(shè)備安裝工作全面開展創(chuàng)造了有利條件。這是中國向核能高端市場邁出的實(shí)質(zhì)性步伐,將為我國深度參與聚變國際合作、自主設(shè)計(jì)建造未來中國聚變堆奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

從“靠太陽”到“造太陽”

可控核聚變裝置俗稱“人造太陽”,是全球核聚變?nèi)艘淮恿Ρ寂?,致力于照亮人類未來的終極能源夢想。伴隨全球人口增長與經(jīng)濟(jì)發(fā)展,能源需求將持續(xù)增長。然而,地球化石燃料的儲量有限,尋找未來能源成為當(dāng)務(wù)之急。

萬物生長靠太陽,無論是傳統(tǒng)的化石能源,還是風(fēng)能、生物能等新型能源,其本質(zhì)都是太陽能。而太陽的能量,科學(xué)家們早已探明究竟:來自其內(nèi)部的核聚變反應(yīng)。

那么,我們是否可以模擬太陽產(chǎn)生能量的原理,研發(fā)可控核聚變技術(shù),從而制造“太陽”呢?

專家的回答是肯定的:不僅可以,而且是必須。

“可控核聚變是目前人類認(rèn)識到的,可以最終解決人類社會能源與環(huán)境問題、推動人類社會可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。”中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院院長段旭如表示。

從必要性來說,化石能源不可再生且有污染,風(fēng)能、水能不穩(wěn)定,核裂變能原料有限、核廢料有放射性污染,因此,需要尋找資源豐富、清潔高效的新能源——目前,最有可能擔(dān)當(dāng)這一角色的只有可控核聚變能。而且,可控核聚變不排放有害氣體,有利于解決當(dāng)前的環(huán)境污染問題。

從可行性來說,核聚變的原料是氫的同位素(氘和氚),地球上含量極為豐富。“氘在海水中儲量極大,1公升海水里提取出的氘,在完全聚變反應(yīng)后,可釋放相當(dāng)于燃燒300公升汽油的能量。”段旭如說。

一字之差的困難

從核裂變到核聚變,從不可控到可控——僅一字之差,但技術(shù)難度差別太大了。“世界上首顆原子彈爆炸后不到10年,核裂變技術(shù)就實(shí)現(xiàn)了和平利用,建成了核電站。”中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院特聘研究員鐘武律說,因此,許多人曾樂觀地認(rèn)為,用不了多久就能實(shí)現(xiàn)核聚變的和平利用——然而,經(jīng)過全世界科學(xué)家超過半個(gè)世紀(jì)的努力,至今仍未成功。

鐘武律做了一個(gè)簡單比較。太陽能穩(wěn)定核聚變,是因其內(nèi)部不僅有1500萬攝氏度以上的高溫,且約有3000億個(gè)大氣壓的超高氣壓。而地球上無法達(dá)到如此高的氣壓,只能在高溫上下功夫了,需要把溫度提高到上億攝氏度才行。“先不說如何產(chǎn)生這么高的溫度,就算產(chǎn)生了,也找不到容器‘盛放’它。”鐘武律說,地球上最耐高溫的金屬材料鎢在3000多攝氏度就會熔化。

不過,人類不會被困難嚇倒。20世紀(jì)50年代開始,科學(xué)家們就經(jīng)歷了一系列磁約束技術(shù)路線的探索,到20世紀(jì)60年代,蘇聯(lián)科學(xué)家提出托卡馬克方案,效果驚人,備受關(guān)注。托卡馬克,簡單來說是一種利用磁約束來實(shí)現(xiàn)受控核聚變的環(huán)形容器。它的中央是一個(gè)環(huán)形真空,外面圍繞著線圈。通電時(shí),其內(nèi)部會產(chǎn)生巨大螺旋形磁場,將其中的等離子體加熱到很高溫度,以達(dá)到核聚變目的。

“核聚變能是清潔安全的,但仍需科學(xué)普及。”段旭如表示,就聚變堆而言,燃燒等離子體被約束在真空室內(nèi),且所含聚變堆中的氘氚燃料含量低,不會爆炸,也不會導(dǎo)致泄漏,幾乎沒有放射性污染。

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我國可控聚變研究始自20世紀(jì)50年代,幾乎與國際上聚變研究同步。

1965年,根據(jù)建設(shè)需要,我國建立了當(dāng)時(shí)國內(nèi)最大的聚變研究基地——西南物理研究所,也就是中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院的前身。

正是在這里,中國核聚變領(lǐng)域第一座大科學(xué)裝置——中國環(huán)流器一號(HL-1)托卡馬克裝置于1984年建成,成為我國核聚變研究史上的一個(gè)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)了我國第一批核聚變工程技術(shù)及實(shí)驗(yàn)運(yùn)行人才隊(duì)伍,為我國發(fā)展更高參數(shù)的磁約束聚變大科學(xué)裝置奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

從此,中國磁約束聚變一步步從無到有,從小到大。1995年,中國第一個(gè)超導(dǎo)托卡馬克裝置HT-7在合肥建成;2002年中國建成第一個(gè)具有偏濾器位形的托卡馬克裝置中國環(huán)流器二號A(HL-2A);2006年,世界上第一個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克裝置東方超環(huán)(EAST)首次等離子體放電成功……

預(yù)計(jì)今年在四川成都投入運(yùn)行的“中國環(huán)流器二號M”裝置,將成為我國規(guī)模最大、參數(shù)最高的磁約束可控核聚變實(shí)驗(yàn)研究裝置。它可將我國現(xiàn)有裝置的最高等離子體電流從1兆安培提高到3兆安培,離子溫度也將達(dá)到1億攝氏度以上。

人類的共同目標(biāo)

正如太陽造福于整個(gè)地球,“人造太陽”的研制,將為人類帶來巨大福祉。但其技術(shù)挑戰(zhàn)大,研發(fā)困難重重,因此需集全球之力共同來攻克。

基于此,國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃2006年應(yīng)運(yùn)而生,由中國、美國、歐盟、俄羅斯、日本、韓國和印度7方參與,計(jì)劃在法國普羅旺斯地區(qū)共同建造一個(gè)電站規(guī)模的聚變反應(yīng)堆,也即世界上最大的托卡馬克裝置。ITER是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國際科技合作項(xiàng)目之一,凝聚了國際聚變界多年來的研究成果以及國際聚變界的技術(shù)力量。

“該項(xiàng)目也是中國以平等身份參加的最大國際科技合作項(xiàng)目。其中,中國承擔(dān)了約9%的采購包研發(fā)任務(wù)。”段旭如表示:“簽署這個(gè)計(jì)劃,正是希望集中全球科技力量,共同攻克難題。”

“這些年來,我國磁約束聚變研究進(jìn)展得益于參加ITER計(jì)劃。”段旭如說,利用這一良好國際合作平臺,在國家有關(guān)部委的大力支持下,我國核聚變研究實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量發(fā)展,磁約束核聚變研究從過去地跟跑步入了并跑階段,部分技術(shù)達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。

中國的積極參與也推動了ITER計(jì)劃的快速發(fā)展。鐘武律表示,參加ITER計(jì)劃以來,中國積極參與建設(shè),承擔(dān)著諸多核心部件研發(fā)制造(采購包)任務(wù)。“目前,中國承擔(dān)的ITER采購包,不管是在研發(fā)進(jìn)度還是在完成質(zhì)量方面,均處于7方的前列,為ITER建設(shè)貢獻(xiàn)了中國力量與智慧。在國際聚變舞臺上,中國有了更大的話語權(quán)。”

除了承擔(dān)中方承諾的任務(wù)外,中方還積極爭取ITER其他關(guān)鍵任務(wù)。去年9月,中核集團(tuán)牽頭拿下了ITER迄今金額最大的主機(jī)總裝1號合同。這個(gè)工程安裝的是ITER裝置最重要的核心設(shè)備,其重要性相當(dāng)于核電站的反應(yīng)堆、人體里的心臟。這是有史以來中國企業(yè)在歐洲市場中標(biāo)的最大核能工程項(xiàng)目合同。

“通過國際競標(biāo)拿到了ITER項(xiàng)目最核心部分的安裝工程,證明我們的團(tuán)隊(duì)在世界上是領(lǐng)先的。”中核集團(tuán)董事長余劍鋒表示。

“從ITER計(jì)劃的進(jìn)展以及國際核聚變發(fā)展進(jìn)程看,我們有信心到21世紀(jì)中葉實(shí)現(xiàn)可控的核聚變發(fā)電。”段旭如充滿信心。

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