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全球最大“人造太陽”核心安裝開啟

2020-06-15 09:48:38 來源:經濟日報
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:由中核集團牽頭的中法聯合體為“人造太陽”核心設備安裝工作全面開展創造了有利條件——這是中國向核能高端市場邁出的實質性步伐,將為我國深度參與聚變國際合作、自主設計建造未來中國聚變堆奠定堅實基礎。

 

起重機將國際熱核聚變實驗堆的杜瓦底座吊入托卡馬克基坑內 

 

 

中核集團建造的中國環流器二號。 (中核集團供圖)

 

近日,位于法國的世界上最大的核聚變反應堆——國際熱核聚變實驗堆(ITER)項目迎來了重要里程碑時刻,施工人員開始安裝反應堆托卡馬克的首個主要部件。此前,由中核集團牽頭的中法聯合體按期開展了相關安裝底座——杜瓦底座的接收及吊裝準備工作,為核心設備安裝工作全面開展創造了有利條件。這是中國向核能高端市場邁出的實質性步伐,將為我國深度參與聚變國際合作、自主設計建造未來中國聚變堆奠定堅實基礎。

從“靠太陽”到“造太陽”

可控核聚變裝置俗稱“人造太陽”,是全球核聚變人一代代接力奔跑,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濟發展,能源需求將持續增長。然而,地球化石燃料的儲量有限,尋找未來能源成為當務之急。

萬物生長靠太陽,無論是傳統的化石能源,還是風能、生物能等新型能源,其本質都是太陽能。而太陽的能量,科學家們早已探明究竟:來自其內部的核聚變反應。

那么,我們是否可以模擬太陽產生能量的原理,研發可控核聚變技術,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識到的,可以最終解決人類社會能源與環境問題、推動人類社會可持續發展的重要途徑之一。”中核集團核工業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,風能、水能不穩定,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,最有可能擔當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,有利于解決當前的環境污染問題。

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,在完全聚變反應后,可釋放相當于燃燒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,核裂變技術就實現了和平利用,建成了核電站。”中核集團核工業西南物理研究院特聘研究員鐘武律說,因此,許多人曾樂觀地認為,用不了多久就能實現核聚變的和平利用——然而,經過全世界科學家超過半個世紀的努力,至今仍未成功。

鐘武律做了一個簡單比較。太陽能穩定核聚變,是因其內部不僅有1500萬攝氏度以上的高溫,且約有3000億個大氣壓的超高氣壓。而地球上無法達到如此高的氣壓,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。“先不說如何產生這么高的溫度,就算產生了,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50年代開始,科學家們就經歷了一系列磁約束技術路線的探索,到上世紀60年代,前蘇聯科學家提出托卡馬克方案,效果驚人,備受關注。托卡馬克,簡單來說是一種利用磁約束來實現受控核聚變的環形容器。它的中央是一個環形真空,外面圍繞著線圈。通電時,其內部會產生巨大螺旋形磁場,將其中的等離子體加熱到很高溫度,以達到核聚變目的。

“核聚變能是清潔安全的,但仍需科學普及。”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,且所含聚變堆中的氘氚燃料含量低,不會爆炸,也不會導致泄漏,幾乎沒有放射性污染。

勇擔重任的中國核電人

我國可控聚變研究始自上世紀50年代,幾乎與國際上聚變研究同步。

1965年,根據建設需要,我國建立了當時國內最大的聚變研究基地——西南物理研究所,也就是中核集團核工業西南物理研究院的前身。

正是在這里,中國核聚變領域第一座大科學裝置——中國環流器一號(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重要里程碑。它的成功建造與運行為我國自主設計、建造、運行核聚變實驗研究裝置積累了豐富經驗,培養了我國第一批核聚變工程技術及實驗運行人才隊伍,為我國發展更高參數的磁約束聚變大科學裝置奠定了堅實基礎。

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

預計今年在四川成都投入運行的“中國環流器二號M”裝置,將成為我國規模最大、參數最高的磁約束可控核聚變實驗研究裝置。它可將我國現有裝置的最高等離子體電流從1兆安培提高到3兆安培,離子溫度也將達到1億攝氏度以上。

人類的共同目標

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

基于此,國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃2006年應運而生,由中國、美國、歐盟、俄羅斯、日本、韓國和印度7方參與,計劃在法國普羅旺斯地區共同建造一個電站規模的聚變反應堆,也即世界上最大的托卡馬克裝置。ITER是目前全球規模最大、影響最深遠的國際科技合作項目之一,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力量。

“該項目也是中國以平等身份參加的最大國際科技合作項目。其中,中國承擔了約9%的采購包研發任務。”段旭如表示:“簽署這個計劃,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展得益于參加ITER計劃。”段旭如說,利用這一良好國際合作平臺,在國家有關部委的大力支持下,我國核聚變研究實現了高質量發展,磁約束核聚變研究從過去的跟跑步入了并跑階段,部分技術達到了國際領先水平。

中國的積極參與也推動了ITER計劃的快速發展。鐘武律表示,參加ITER計劃以來,中國積極參與建設,承擔著諸多核心部件研發制造(采購包)任務。“目前,中國承擔的ITER采購包,不管是在研發進度還是在完成質量方面,均處于7方的前列,為ITER建設貢獻了中國力量與智慧。在國際聚變舞臺上,中國有了更大的話語權。”

除了承擔中方承諾的任務外,中方還積極爭取ITER其他關鍵任務。去年9月,中核集團牽頭拿下了ITER迄今金額最大的主機總裝1號合同。這個工程安裝的是ITER裝置最重要的核心設備,其重要性相當于核電站的反應堆、人體里的心臟。這是有史以來中國企業在歐洲市場中標的最大核能工程項目合同。

“通過國際競標拿到了ITER項目最核心部分的安裝工程,證明我們的團隊在世界上是領先的。”中核集團董事長余劍鋒表示。

“從ITER計劃的進展以及國際核聚變發展進程看,我們有信心到本世紀中葉實現可控的核聚變發電。”段旭如充滿信心。
 


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