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人造太阳,中国再次领跑

来源:人民日报 作者:吴月辉、康岩 2017-07-05 15:46:38
内容摘要: 同时,这一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将继续引领国际前沿,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。

被称为人造太阳的世界首个全超导托卡马克核聚变实验装置。

  中国科学院合肥物质科学研究院等离子物理研究所日前宣布,我国的全超导托卡马克核聚变实验装置(中文名为东方超环,简称EAST)在全球首次实现了稳定的101.2秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行,创造了新的世界纪录,为人类开发利用核聚变清洁能源奠定了重要的技术基础。


  同时,这一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将继续引领国际前沿,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。


  高约束放电时间突破百秒量级,为下一代核聚变装置建设奠定基础


  EAST是高11米、直径4米、重达400吨的大科学装置,是我国第四代核聚变实验装置。EAST的建设目标是对受控核聚变相关的前沿物理问题开展探索性实验研究,为未来稳态、安全、高效的先进商业聚变堆提供物理和工程技术基础。由于核聚变的反应原理跟太阳类似,所以也被称为人造太阳。


  经过多年研究,科研人员成功攻克了一批国际共性难题,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60秒到百秒量级的跨域。在这过程中,EAST相继完成了辅助加热、钨偏滤器、等离子体物理诊断等系统的升级改造,基本解决了射频波耦合、高约束等离子体稳定性控制、等离子体与壁相互作用物理、低动量条件下加热和电流驱动下输运、杂质输运和控制等问题,为此次实现长脉冲稳态高约束模等离子体奠定了基础。


  EAST超导托卡马克装置实验运行总负责人、中科院等离子体所研究员龚先祖说:“我们面临的重大挑战是粒子控制和热排出问题,解决了这些难题,使得放电脉冲延长到100秒,这是一个新的世界纪录,也是EAST一个新的里程碑。”


  稳态高约束运行模式是国际热核聚变实验堆计划的基本运行模式,也是未来反应堆需要解决的关键科学问题。作为国际重要的长脉冲核聚变实验平台,EAST超导托卡马克高约束放电时间实现百秒量级的突破,将为我国下一代核聚变装置的建设和国际核聚变清洁能源的开发利用奠定坚实基础。


  创下多项世界纪录,稳态运行模式将为未来反应堆提供重要参考


  EAST实验先后创下多项托卡马克运行的世界纪录:2012年实现30秒高约束等离子体放电;2016年获得60秒的完全非感应电流驱动(稳态)高约束模等离子体。EAST的成功建设和运行获得国内外专家的高度赞誉,“是世界聚变工程的非凡业绩,是世界聚变能开发的杰出成就和重要里程碑!”《自然》和《科学》分别评价:“中国创造了聚变历史”“在这里科学价值得到极大体现”。


  国际热核聚变实验堆ITER计划是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一,其目标是在和平利用聚变能的基础上,探索聚变在科学和工程技术上的可行性。据介绍,高约束模是ITER的基本运行模式,为实现稳态运行并达到有效的偏滤器热量排除,ITER将采用射频波主导的低动量注入运行模式以及主动水冷的钨偏滤器结构。而EAST是目前世界上唯一具备这两大特色且具有长脉冲运行能力的全超导托卡马克,其稳态运行模式将为ITER和未来反应堆提供重要参考。


  “ITER计划是人类探寻未来高效清洁能源的重要途径,实现稳态长脉冲高约束等离子体运行是未来聚变堆亟待解决的关键科学问题。EAST具有ITER类似的先进技术,未来5年内将是国际上唯一有能力开展超过百秒时间尺度的长脉冲高约束聚变等离子体物理和工程技术研究的实验平台,为ITER预演稳态运行也是EAST的重要使命。”龚先祖表示。


  如果在民用上能实现可控,将彻底改写人类的能源版图


  据龚先祖介绍,中国从上世纪末在中科院等离子体所的HT—7装置上开始进行长脉冲的等离子体实验,真正朝着聚变能技术研究方向的EAST装置在2006年建成,第一次等离子放电时间在当年的9月26日,主要目标就是面向未来聚变堆的稳态运行的关键科学和技术问题。


  上世纪50年代开始,以原子核的裂变反应为基础的核电站登上世界能源舞台,但是这种核电站存在核废料的处理、核辐射、核燃料铀的开采和提料难等问题。相对来说,核聚变具有无可比拟的优点:它的原料储量极其丰富,因其主要燃料是存在于海水之中的氘和氚。一升海水提取的氘能产生的聚变能源,相当于300升汽油。另外,聚变产物没有放射性。同时,由于聚变反应需要的条件比较高,一旦发生事故,造成反应的等离子体约束破裂,聚变反应便会终止。因此聚变燃料的保存运输、聚变电站的运行都比较安全。因此,聚变研究对于开发清洁能源,意义十分重大。此外,伴随着聚变研究带来的衍生和伴随技术,比如超导磁体技术、大功率电源技术、超高真空技术、超低温技术等,都会带动相关产业发展,给民众生活带来很大改变。核聚变如果在民用上能实现可控,将彻底改写人类的能源版图。


  “目前的聚变研究,功率相对来说还是比较低的。未来我们想实现聚变的可行性,需要在更好的加热功率条件下,来验证延长等离子体存在时间的科学可行性。这个挑战十分巨大,因为聚变产生有一个物理学说叫劳逊判据,意思是要想产生聚变,就要使得等离子体的温度达到上亿度,这就是我们今后的科研攻关目标。”龚先祖说。


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