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新一代可控核聚变研究装置“中国环流器二号M”

更新时间:2020-01-08 02:01点击:

  众所周知,石油是工业的血液。但以石油为代表的化石能源,有两个绕不开的问题:一是不可再生,二是污染。即便页岩气、可燃冰等新型能源被不断开发,但归根结底都有消耗殆尽的一天。而目前的核裂变能也存在着反应原料(铀等)有限、核废料放射性污染的问题。

  “我国这些年磁约束聚变研究进展得益于参加ITER计划。”段旭如说,比如中国环流器二号M在设计建造过程中,通过与国际上现有托卡马克装置的交流学习,吸取了许多设计建造与运行托卡马克的成功经验。

  从此,中国磁约束聚变一步步从无到有,从小到大,从弱到强。1995年中国第一个超导托卡马克装置HT-7在合肥建成;2002年中国建成第一个具有偏滤器位形的托卡马克装置中国环流器二号 A(HL-2A);2006年,世界上第一个全超导托卡马克装置东方超环(EAST)首次等离子体放电成功……

  而预计2020年投入运行的“中国环流器二号M”装置将成为中国规模最大、参数最高的磁约束可控核聚变实验研究装置,其等离子体体积为中国现有装置的2倍以上,离子温度将达到1亿摄氏度以上,可将电流从中国现有装置的1兆安培提高到3兆安培。

  攻坚克难的核聚变人

  “人造太阳”离圆梦又近一步

  万物生长靠太阳。今天支撑人类社会运转的几乎一切能源,从煤、石油、天然气,到风能、生物能,其本质都是太阳能,而太阳上的能量来自内部的核聚变反应。

  钟武律还举了核西物院研发ITER第一壁采购包半原型部件的例子。“这是中国团队承担的一份高难度任务。当时世界上满足ITER第一壁特殊材料要求的只有美国。我院的科研团队联合国内有关单位通过十多年的努力,不仅在特殊材料的制备上,而且在焊接工艺等多项技术上取得了突破,2016年成功研制的ITER超热负荷第一壁半原型部件在国际上率先通过认证,也让中国在这个技术上达到世界先进水平。”钟武律说,“目前中国承担的ITER采购包,不管是在研发进度还是在完成质量方面,都处于七方的前列。在国际聚变舞台上,中国有了更大的话语权。”

  1965年,根据国家“三线”建设统一规划,在四川省乐山市郊区,建立了当时中国最大的核聚变研究基地——西南物理研究所,这也是中核集团核工业西南物理研究院(以下简称“核西物院”)的前身。

  可控核聚变研究非常困难,难到什么程度?钟武律给我们做了一个比较:“世界上第一颗原子弹爆炸以后,不到十年核裂变就实现了和平利用,建成了核电站。科学家们想,氢弹成功以后,应该也用不了多长时间就能够实现核聚变的和平利用,实现可控核聚变。但后来的研究发现,并没有那么简单,它需要全世界的科学家一起来努力完成。”

  当世界的可控核聚变研究如火如荼时,中国“人造太阳”的建设也没有掉队。早在1955年,钱三强和刚留美归来的李正武等科学家便提议开展中国的“可控热核反应”研究,这与国际社会关注核聚变几乎同步。

  为了保障中心柱这个高约2层楼、重约80吨的装置设备在移动过程中不受磕碰,且安装精度不超过0.1毫米偏差,二号M装置线圈团队在1个月内做了十几种方案,

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,短短2分钟的路程,研究团队最终耗费了近9个小时才成功完成搬运。“移动中,大家像呵护宝贝一样。”项目线圈组负责人刘晓龙说,“还不错,我们成功了。”

  有没有一种能源,既无穷无尽,又清洁环保?还真有一个,就是可控核聚变。

  ITER组织总干事比戈说:“我们很高兴找到了高素质的积极的合作伙伴来完成这项工作。我们期待着与世界知名的行业专家合作,按时、按规格安装世界上最具挑战性、最有前途和最重要的科学设备之一。”

  从“进口”上说,可控核聚变所需的反应原料(氘原子和氚原子),在地球上非常丰富。氘在海水中储量极大,1公升海水里提取出的氘,在完全的聚变反应中可释放相当于燃烧300公升汽油的能量;而氚可通过中子与锂反应生成,在地壳和海水中,锂都是大量存在的。

  “既然把任务交给我们这个团队了,我们就有义务把事情做好,给中核集团、给核工业乃至国家一个交代。”中国环流器二号M装置项目经理刘永的话掷地有声。

  作为一个历经多年研制的实验项目,中国环流器二号M精细的部件工艺很多都是前无古人的创造。就像在装置设备“真空室”中,许多细小的误差是现有检测仪器所无法感知的,很多时候甚至需要自主开发新的检验设备,因为连尘埃般大小的缺陷都会影响最终的实验结果。

  ——揭秘中国可控核聚变

  对中国可控核聚变实力的认可,还在不断升级。2019年9月30日,ITER主机安装一号合同在北京签约,由中核集团牵头的中法联合体中标该工程。这个工程安装的是ITER装置最重要的核心设备,其重要性相当于核电站的反应堆、人体里的心脏。这是有史以来中国企业在欧洲市场中标的最大核能工程项目合同。

  源源不绝的清洁能源

  不仅零污染、用不完,可控核聚变还有另一个重要特点:固有安全性。许多人一想到用核能发电,就会想到切尔诺贝利核事故或者福岛核事故,从而有了“恐核”心理,谈核色变。事实上,核聚变反应需要氘氚燃料达到上亿摄氏度的高温和足够高的密度等苛刻条件,任何一点细微条件的缺失,都会导致温度密度的下降,致使聚变反应停止。

  理想很美好,但实现起来并不容易。一个最明显的问题,就是用什么容器来承载核聚变。

  据段旭如介绍,在地球上利用核聚变能,

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,要求在人工控制条件下等离子体的离子温度达到1亿摄氏度以上。“1亿度是什么概念?太阳的核心温度大概在1500万度至2000万度;而地球上最耐高温的金属材料钨在3000多度就会熔化。1亿度,已经超过太阳核心温度的5至6倍了。”中核集团核工业西南物理研究院特聘研究员钟武律解释说,“在地球上,没有任何材料可以把1亿度高温的等离子体给直接包裹起来。”

  于是就有了2006年国际热核聚变实验堆(ITER)计划的签署。由中国、美国、欧盟、俄罗斯、日本、韩国和印度七方参与,计划在法国南部普罗旺斯地区共同建造一个世界上最大的托卡马克装置。ITER是目前全球影响最深远且最大的国际合作项目之一,也是中国以平等身份参加的最大国际科技合作项目。其中,中国承担了大概9%的采购包研发任务。

  从“出口”上说,可控核聚变的产物为氦和中子,不排放有害气体,也几乎没有放射性污染,具有环境友好的优点。

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