走進(jìn)中國(guó)“人造太陽(yáng)”誕生地

走進(jìn)中國(guó)“人造太陽(yáng)”誕生地

中國(guó)“人造太陽(yáng)”——全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）1月20日取得重大突破，成功實(shí)現(xiàn)1億攝氏度1066秒穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)脈沖高約束模等離子體運(yùn)行，再次刷新了托卡馬克裝置高約束模運(yùn)行的世界紀(jì)錄。近日《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者走進(jìn)中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院等離子體物理研究所，就EAST的進(jìn)展、核聚變未來(lái)應(yīng)用前景等問(wèn)題專訪了該所副所長(zhǎng)徐國(guó)盛。

位于合肥的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。（視覺(jué)中國(guó)）

“億度千秒”世界紀(jì)錄背后的15萬(wàn)次實(shí)驗(yàn)

徐國(guó)盛向《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者介紹稱，可控核聚變被視為“終極能源”，其原理是模擬太陽(yáng)內(nèi)部反應(yīng)，通過(guò)氘、氚等輕元素聚變穩(wěn)定釋放能量。與核裂變相比，聚變能原料近乎無(wú)限（一升海水可提取的氘，通過(guò)核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量相當(dāng)于300升汽油燃燒產(chǎn)生的能量），且無(wú)放射性污染，生成物是無(wú)害的氦。而托卡馬克裝置是實(shí)現(xiàn)可控核聚變的重要方向之一。中國(guó)“人造太陽(yáng)”是世界首個(gè)非圓截面全超導(dǎo)托卡馬克裝置，研究長(zhǎng)脈沖、高約束、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下的聚變堆物理和工程技術(shù)，包含超過(guò)200多項(xiàng)自主創(chuàng)新的核心技術(shù)。

徐國(guó)盛表示，托卡馬克裝置的運(yùn)行原理是利用強(qiáng)磁場(chǎng)來(lái)約束高溫的等離子體。但要想長(zhǎng)時(shí)間維持等離子體穩(wěn)定，需要在技術(shù)層面克服諸多挑戰(zhàn)。首先，等離子體在1000秒的時(shí)間尺度內(nèi)必須保持高度穩(wěn)定，控制精度需達(dá)到毫秒、毫米量級(jí)。一旦控制不穩(wěn)定，等離子體就會(huì)燒壞裝置的部件。因?yàn)镋AST裝置面對(duì)等離子體的內(nèi)壁材料雖然選用了熔點(diǎn)3000多度的耐高溫金屬，但面對(duì)被加熱到1億攝氏度以上的等離子體，一旦發(fā)生接觸，內(nèi)壁就會(huì)迅速熔化。所以必須長(zhǎng)時(shí)間精準(zhǔn)控制等離子體，使其不接觸內(nèi)壁材料，才能維持長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。這就要求磁測(cè)量信號(hào)積分器測(cè)量時(shí)，在1000秒內(nèi)漂移極低，以確保控制精度。

其次，主動(dòng)冷卻是EAST裝置一大特色技術(shù)。徐國(guó)盛介紹說(shuō)，等離子體運(yùn)行時(shí)內(nèi)壁材料表面溫度較高，如果不能及時(shí)將熱量帶走，內(nèi)壁材料也會(huì)超過(guò)熔點(diǎn)熔化，導(dǎo)致等離子體整體“熄滅”。因此，必須及時(shí)將熱量排走，未來(lái)反應(yīng)堆也必須做到這一點(diǎn)。

中國(guó)EAST裝置在今年1月刷新了“億度千秒”的世界紀(jì)錄后，徐國(guó)盛回顧說(shuō)：“從60秒到100秒，再到200秒、300秒、403秒，最后到1066秒。每一次都是一個(gè)里程碑，22輪物理實(shí)驗(yàn)，我們實(shí)驗(yàn)了整整15萬(wàn)次。成為開路者是非常困難的?！?/p>

從基礎(chǔ)科學(xué)向工程實(shí)踐的重大跨越

在被問(wèn)到如何看待中國(guó)EAST裝置刷新的“億度千秒”世界紀(jì)錄時(shí)，徐國(guó)盛表示：“目前全世界都在討論在全金屬壁條件下，等離子體能否實(shí)現(xiàn)400-3000秒的運(yùn)行。溫度和密度以及約束時(shí)間三者乘積也被稱為‘聚變?nèi)朔e’，缺一不可，我國(guó)此次的‘億度千秒’不僅極大地增強(qiáng)了國(guó)際社會(huì)對(duì)聚變能源實(shí)現(xiàn)的信心，也為相關(guān)研究提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持。目前，僅中國(guó)實(shí)現(xiàn)了這一突破，向全世界展現(xiàn)了中國(guó)在核聚變領(lǐng)域的強(qiáng)大實(shí)力?！?/p>

“億度千秒”的實(shí)現(xiàn)還標(biāo)志著中國(guó)聚變能源研究從基礎(chǔ)科學(xué)向工程實(shí)踐的重大跨越。EAST的成功運(yùn)行不僅是中國(guó)核聚變研究的重大突破，也在國(guó)際核聚變領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。法國(guó)正在建造的國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）是當(dāng)今世界規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國(guó)際大科學(xué)工程項(xiàng)目之一，中國(guó)是其成員國(guó)之一。徐國(guó)盛介紹說(shuō)，中國(guó)不僅承擔(dān)了ITER計(jì)劃中約9%的核心部件研制任務(wù)，更通過(guò)EAST為ITER提供了長(zhǎng)脈沖運(yùn)行的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。中國(guó)承擔(dān)的ITER任務(wù)100%一次性通過(guò)國(guó)際評(píng)估，交付進(jìn)度和質(zhì)量100%滿足所需要求，在七方成員中創(chuàng)造多項(xiàng)第一。4月11日，由中國(guó)自主制造的最后一根校正場(chǎng)線圈內(nèi)饋線完工，運(yùn)往法國(guó)總部。

核聚變帶動(dòng)的技術(shù)已造福人類

徐國(guó)盛表示：“目前的實(shí)驗(yàn)裝置只是證明了原理可行性，而沒(méi)有真實(shí)產(chǎn)生能量。正在建造的聚變能實(shí)驗(yàn)裝置（BEST）將真實(shí)產(chǎn)生能量，預(yù)計(jì)在2027年底建成，在全球率先演示聚變發(fā)電。此外，裝置還將利用聚變產(chǎn)生的中子來(lái)制造更多的聚變?nèi)剂?，證明燃料在裝置內(nèi)可以自持。這將更加接近未來(lái)反應(yīng)堆的實(shí)際運(yùn)行情況。最終，證明工程上的所有技術(shù)都可行后，我們將開始建設(shè)真正能夠產(chǎn)生電能的示范發(fā)電站，這個(gè)示范發(fā)電站將把電能接入電網(wǎng)，證明電能的轉(zhuǎn)化和自持能力?！?/p>

根據(jù)中國(guó)磁約束核聚變路線圖，下一代“人造太陽(yáng)”——中國(guó)聚變工程示范堆（CFEDR）正在開展工程設(shè)計(jì)，未來(lái)將瞄準(zhǔn)建設(shè)世界首個(gè)聚變示范電站。從EAST到BEST再到CFEDR，中國(guó)聚變能應(yīng)用正在實(shí)行“三步走”戰(zhàn)略?？傮w來(lái)看，核聚變發(fā)電的實(shí)現(xiàn)仍需克服多項(xiàng)技術(shù)難題，但EAST的突破為這一目標(biāo)提供了重要支撐。

聚變能被視為核能發(fā)展的終極目標(biāo)。開展磁約束核聚變研究，除了用核聚變能源點(diǎn)亮世界，實(shí)現(xiàn)人類清潔能源夢(mèng)想之外，聚變產(chǎn)業(yè)也在推動(dòng)全鏈條產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，比如超導(dǎo)、電源、材料、低溫制冷等技術(shù)已應(yīng)用在交通、醫(yī)療、航天等領(lǐng)域。徐國(guó)盛對(duì)《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者說(shuō)道：“聚變之路依然漫長(zhǎng)，但每一次突破都在縮短理想與現(xiàn)實(shí)的距離。”

本文為科普中國(guó)·創(chuàng)作培育計(jì)劃扶持作品

作者：環(huán)球時(shí)報(bào)

出品：中國(guó)科協(xié)科普部

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