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从跟着跑,到并排跑,再到部分领域领跑,中国核聚变研究厉害了!
2017-11-24 09:42  · 来源:中国能源报  · 作者:吕银玲  · 责编:王长尧

  四季更替,潮起潮落,斗转星移,地球上生命赖以生存的能量来源,是距离“她”1.5亿公里外,那颗红彤彤的聚变体。 

  没错,太阳是一个超级巨大的聚变体,其内部的核聚变反应,每秒就有七亿吨氢转化成氦,这个这过程中,大约有五百万吨的净能量释放,大概相当于3.86X1026焦耳,慢慢数吧~~ 

  巨大的能量几十亿年来不停释放,为地球提供了源源不断的光和热。所以,才有了歌儿里唱的:万物生长靠太阳! 

  核聚变能具有资源丰富、固有安全性高、环境可接受性好等特点,是人类梦寐以求的能源形式。 

  上世纪80年代,我国制定了“热堆-快堆-聚变堆”“三步走”的核能发展战略,随后通过参加国际热核聚变实验堆(ITER),进一步推动我国聚变能源研究进入国际阵营。 

  经过几十年发展,我国的核聚变研究实力如何了? 

  中国核学会核聚变和等离子体分会理事长、核工业西南物理研究院(以下简称“西物院”)院长刘永日前在“中国核学会2017年学术年会”上透露,我国在聚变工程和科学方面的研究,已经由过去的跟跑、并跑发展到现在某些领域的领跑。而且,我国承担的ITER计划采购包任务进展显著。 

  站上核聚变研究先进平台 

  2006年11月21日,中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国七方签署了ITER计划的联合实施协定及相关文件,拟共同建造一个超导托卡马克型聚变实验堆,探索和平利用聚变能发电的科学和工程技术可行性。据了解,ITER将成为世界第一个电站级别的聚变实验堆,是最终实现磁约束聚变能商业化必不可少的一步,这也是中国首次以平等伙伴身份参与的最大国际合作项目。 

  “绿色核能科普展”上的聚变堆模型。朱学蕊/摄 

  据了解,目前国内从事磁约束受控核聚变研究的单位包括西物院、中科院等离子体物理研究所、中国工程物理研究院等科研院所及一些高校。其中,西物院和中科院等离子体物理研究所是中方参与ITER计划的主要承担单位;贵州航天新力、西部超导、宁夏东方、合肥科烨等企业参与了ITER计划相关部件、材料、工艺的研发和加工。 

  “核聚变研究是人类历史上最具挑战性的课题之一,其基本原理就是将原子核聚变反应释放能量的过程慢化,并和平利用该能量。”刘永说,“这项工程面临极大的技术挑战,我们研究了50年之久,主要因为它的实现条件很苛刻,需要1亿度以上的高温、长时间约束在有限的空间中,并需要足够高的密度。几十年来,我们主要就是解决如何将上亿度的高温等离子体长时间约束起来,让其能充分反应,解决聚变自持燃烧的问题。” 

  尽管过程艰难,我国在聚变装置研发及实验方面仍取得了显著进展。 

  目前,具有一定国际影响力的磁约束受控核聚变主要研究设施(现役/在建)有EAST、HL-2A、HL-2M等。其中,在“中国环流器二号A”(HL-2A)装置上首次成功实现偏滤器位形托卡马克运行和高约束模(H -模)放电。这一重大科研成果,使我国在继欧盟、美国和日本之后,站上了核聚变研究的先进平台。 

  作为中国磁约束聚变实验研究史上具有里程碑意义的重大进展,这个成果同时标志着中国的磁约束聚变科学和等离子体物理实验研究进入了一个接近国际前沿的崭新阶段在2016年的实验中,HL-2A首次利用无源间隔波导阵列(PAM)天线在H模条件下实现了低杂波耦合,为ITER低杂波电流驱动天线设计提供了重要数据。 

  此外,今年7月3日,“东方超环”EAST实现了稳定的 101.2 秒稳态长脉冲高约束等离子体运行,成为世界上第一个实现稳态高约束模式运行持续时间达到百秒量级的托卡马克核聚变实验装置。EAST在近两年不断提升装置能力,在发现先进稳态运行模式中起到重要作用。目前,EAST实验取得新进展,实现了全非感应稳态H模运行的新纪录(约50秒)、全非感应稳态运行芯部约束提高、高电子温度的长脉冲运行大于100秒。 

  出色完成ITER采购包任务 

  “中国能够参加ITER,是因为过去50年我们打下了很好的基础,这几年的进展更是突飞猛进。”刘永说。 

  据了解,在科技部ITER中心的领导和组织协调下,西物院及中科院等离子体物理研究所充分发挥在聚变装置乃至聚变堆及其部件研制方面的研究优势,凭借ITER组织的充分认同和良好沟通,联合国内相关优势企业展开了技术攻关,我国承担的ITER采购包任务进展顺利,取得了一系列技术突破,成果丰硕。 

  比如,国内能不能提供ITER所用的超导材料? 

  答案是肯定的。“通过这个项目,我们在超导材料方面完全走到了国际前列。此外,校正场线圈等材料也是由中国全部承担。”刘永说。 

  再如,在众多采购包中,西物院承担的“第一壁”通过了多轮模块制作及高热负荷试验考验,激光焊接工艺等关键工艺通过了IO(ITER国际组织)认证;ITER中子屏蔽模块采购包(SB)目前已进入国内供应商加工制造阶段,西物院负责包层屏蔽模块技术;西物院还承担全部ITER磁体支撑任务,基于ITER GS支撑结构进行优化设计和分析而提出的新设计方案,得到了ITER认可。 

  “ITER计划的实施带动了国内相关学科和产业的发展,其科学与工程目标是完全有望达到的。”刘永评价。 

  按照ITER计划进度安排,2025年要产生初始等离子体,2035年实现氘氚放电。“目前,我们努力的方向是,使聚变堆的过程能够再快一点。”刘永说,中国的聚变能发展路线图已初见端倪,我国将为争取早日建成聚变堆、率先实现核聚变能不懈努力。2035-2040年,我国将建造中国聚变工程试验堆CFETR,并启动聚变示范堆DAMO的设计,为本世纪中叶在我国独立自主大规模建设聚变电站奠定坚实的科学技术基础。 

  刘永表示,聚变堆目前仍面临关键技术挑战。“聚变堆将在高品质和高参数(高的等离子体温度、密度)条件下运行,产生持续稳定的氘氚聚变反应和聚变能量输出,这一直是聚变研究的核心内容之一。在采用怎样的运行模式和运行参数、如何维持稳定的燃烧等离子体、实现与外围的工程部件相互兼容、确保装置安全等方面,一些关键物理和技术挑战仍有待进一步研究。” 

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