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我國自主研制的“中國環流器二號M”預計明年投入運行實驗
文章來源:央廣網 日期:2019年12月04日

  央廣網北京12月1日消息 據中央廣播電視總臺中國之聲《新聞縱橫》報道,科幻電影《流浪地球》中,為了把地球推離太陽系,人類建造了上萬座高聳入云的重元素聚變發動機。太陽的能量來源就是其內部的熱核聚變。

  目前,人類利用核聚變的最典型例子就是氫彈。但氫彈的能量是短時間爆炸性釋放,只能作為武器使用,無法作為一個穩定而強大的能量來源。讓聚變能量平穩、可控地輸出,是全球科學家不懈努力的目標。

  其中,“國際熱核聚變實驗堆”項目,可謂是這方面研究的皇冠上的寶石,它也被稱為“人造太陽”。最新的進展是,目前,作為國際“人造太陽”項目的關鍵一環,中國的新一代可控核聚變研究裝置“中國環流器二號M”建設順利,預計2020年投入運行實驗。“人造太陽”正式運行后會給我們的生活帶來哪些改變?人類距離完全擁有“人造太陽”還有多遠的路要走?

  “我有一個美麗的愿望,長大以后能播種太陽……”這是來自兒歌《種太陽》的歌詞。如今,我國的核工業科學家們正在實現歌詞中的夢想,因為他們幾十年不懈研發,真的在為人類造一個“人造太陽”。聽起來有些不可思議?中核集團核工業西南物理研究院院長段旭如說,由我國自主研制的可控核聚變研究裝置“中國環流器二號M”建設進展順利,明年將投入實驗運行,這將為人類制造“人造太陽”提供重要的技術支撐。

  段旭如介紹:“我們啟動了中國環流器二號M裝置的建設,主要目的是加大它的規模,增強它的能力,讓它可以達到上億度的離子溫度;另外其參數將極大提高,這樣才能開展一些跟我們參與的國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃相關的一些物理和科學問題,包括技術問題的研究,為我們參加ITER計劃提供技術和人才支撐。這個新裝置現在進展比較順利,我們預計在2020年建成,開始實驗。”

  國際熱核聚變實驗堆,英文簡稱ITER,由于其原理和太陽發光發熱的原理相同,因此也被稱為“人造太陽”。它是由中、美、俄、歐盟、日、韓、印度七方共同建造可實現大規模聚變反應的實驗堆,從而解決人類面臨的能源問題。段旭如稱,每個參與方承擔整個工程中的一部分工作,我國的貢獻份額約占整個ITER的10%。“這個10%主要部分是實物貢獻,也就是說,ITER是一個聚變實驗堆,由很多部件構成,中方承擔了其中部分部件的技術研發和生產制造。最后在中國做好以后,運到現在的ITER總部法國去。”段旭如說。

  中國環流器二號A裝置正是對中國承擔的ITER部件研制任務的技術支持。中核集團核工業西南物理研究院聚變科學所負責人許敏介紹,中國環流器二號A其實相當于一個未來的核聚變反應堆雛形,科學家們想到用磁場把這些高溫燃料束縛起來,讓它們乖乖地在一個環形的空間里飛行,不和真空室接觸。“做法就是產生微波和電子回旋的波,然后通過傳輸線,最后注入到真空室里去,等離子體吸收這些微波以后,它的溫度自然就會升上來。從原理上講,跟微波爐非常像,但它的功率要大得多。”許敏說。

  早在2002年,我國已完成中國環流器二號A的建造,如今的中國環流器二號M又有哪些不同呢?段旭如解釋說,環流器二號M將在等離子體電流以及溫度等方面達到更為驚人的參數。“它的離子溫度可以突破1億度以上,達到1.5億度,其它的參數也高,比如建成以后,它的電流將達到3兆安培,這是一個什么概念?我們現在國內最大的裝置,它的電流也只能到1兆安倍,所以它的能力將會極大地提升,可以為今后國際熱核聚變實驗堆,也就是ITER計劃提供技術支撐。”

  事實上,在整個ITER計劃中,有多個國家在研制這樣的耐高溫材料,這些材料處于聚變反應堆最核心位置,直接面對高溫聚變燃料,因而被稱為反應堆的“第一壁”。第一壁要承受每平米4.7兆瓦的熱量,可以瞬間將一公斤的鋼鐵融化。中核集團核工業西南物理研究院ITER屏蔽包層項目負責人諶繼明說,裝置內部可以達到上億度的高溫,采用不銹鋼、銅合金與金屬鈹的真空注壓,筑起一道“防火墻”。“實際上ITER的專家心里也沒底,到底這個能不能耐得住4.7兆瓦每平方米的熱度。通過我們自主研發的部件,我們成了世界上第一家通過高熱負荷實驗認證的單位,我們率先拿到了生產許可證。”諶繼明介紹。

  應該說,“人造太陽”上應用的很多中國技術都達到了世界領先的水平,諶繼明表示,我們實現了從落后到齊步進而部分技術領跑的轉變。“在參加ITER之初,我們比國外落后20年;到2010年左右,我們追趕上了,和他們齊頭并進;到現在,我們率先通過了國際認證。事實證明,我們確實在某些方面已經開始領跑。”

  說到這里,大家可能又要問了,我們為什么非要建設“人造太陽”呢?都說“萬物生長靠太陽”,太陽是地球上萬物生長的一切來源,它正是利用核聚變反應,不斷向地球輸送能源。中科院等離子體所常務副所長宋云濤表示,這顆“太陽”如果建設成功,可能會一勞永逸地解決地球能源短缺的問題。“如果我們成功了,可以讓一升海水去發生核聚變,能夠產生的能量相當于300升汽油的能量。如果能夠建成未來的聚變電站,那么可以為人類提供取之不盡、用之不竭的能源。”

  我們利用核聚變做出的“人造太陽”又有哪些優勢?中核集團董事長余劍鋒解釋稱,我們常用的煤、石油、天然氣等化石能源,儲量有限,且污染環境,核聚變能量源氘氣來自海水,可以源源不斷地供應。他介紹:“氘氣在海水里面是很多的,大概有45萬億噸,就是說一升海水就相當于300升的汽油,能量是巨大的,核聚變能沒有放射性的廢物,所以這是一個跨時代、世界級的項目,也會改變人類的生活。”

  今天,“中國環流器二號M”的順利建設讓我們對未來又多了幾分期待。段旭如說,希望在二十一世紀中葉,聚變工程實驗堆實驗成功,建設聚變商業示范堆,完成人類終極能源夢想——“人造太陽”。他表示:“在研究過程中發現還有很多挑戰沒有解決,靠一個國家的實力來攻克,現在還有難度。也是希望集中全世界的科技力量,來共同攻克難題,所以2006年簽署了ITER執行協議,我們在2025年將在法國南部建成ITER(人造太陽)第一個國際上的核聚變反應堆,達到這個目標以后,我們將會建示范堆,示范堆以后商用。”(張棉棉 劉飛 郭鵬)

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