委员:中国在国际“人造太阳”计划中扮演重要角色

发布:科技 时间:2019-03-14 09:09

原标题:委员:中国在国际“人造太阳”计划中扮演重要角色

据澎湃新闻3月14日报道,尽管仍面临不小的挑战,但按照既定时间表,位于法国南部的国际热核聚变实验堆(ITER)将于2025年底建成,产生第一等离子体。ITER计划是人类受控核聚变研究走向能源应用的关键一步。全国政协委员、中核集团核工业西南物理研究院副院长段旭如近日对澎湃新闻表示,作为ITER组织的七方成员之一,中国目前在这一规模仅次于国际空间站的国际大科学工程计划中扮演着非常重要的角色。

参与国际“人造太阳”计划:中方采购包任务的完成质量与执行进度均位于前列

聚变反应是太阳以及其它恒星能够永不停歇地发光发热的能量来源,由于资源丰富及固有安全等优点,受控核聚变能被认为是人类最理想的终极能源。数十年来,科学家们一直在为实现受控核聚变反应而不懈努力,核聚变实验研究装置也被俗称为“人造太阳”。

ITER计划即为验证核聚变反应堆系统的工程可行性而生。目前,ITER组织和中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯及美国等七个成员方共同推进该计划实施。

在建中的ITER是世界上最大的托卡马克装置(TOKAMAK),总重达23000吨,目标是把上亿度、由氘氚组成的高温等离子体约束在体积达约840立方米的“磁笼”中,以50MW(1MW=1000KW)的输入功率产生500MW的聚变功率,重复持续燃烧时间达到500秒。

委员:中国在国际“人造太阳”计划中扮演重要角色

2019年2月ITER建造现场 本文配图均来自澎湃新闻

在建造阶段,中国承担了ITER约9%的采购包制造任务。自2008年以来,中国陆续承担了ITER组织分发的14个采购包的制造任务,包括ITER的关键核心部件。其中,核工业西南物理研究院依托中核集团完整的核工业科技体系以及核工程与技术支撑,牵头承担了中方采购包中的所有重要涉核部件研发任务。

段旭如介绍称,中方采购包的完成质量和执行进度在ITER七方中位于前列,比如在国际上率先研发制造出超热负荷第一壁部件、包层屏蔽模块全尺寸原型件等ITER核心工程部件,为此多次得到ITER组织总干事的赞誉,中方为推进ITER的建设做出了重要贡献。

中国的磁约束核聚变研究历史,可追溯至上世纪五六十年代,于1965年在四川建立了我国最早的磁约束核聚变研究专业院所??核工业西南物理研究院,于1978年在安徽建立了中科院等离子体物理研究所。在参加ITER计划前,国内主要由这两个专业院所联合部分高校、研究机构与企业开展磁约束核聚变相关研究,但过去与美国、日本及欧洲的研究水平有较大差距。

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核工业西南物理研究院的中国环流器二号A装置现场 核工业西南物理研究院 供图

2007年中国正式参加ITER计划,为我国磁约束核聚变研究的发展提供了一个良好机遇及国际合作平台,此后,我国在多个研究方面取得了重要进展,一些技术达到世界领先水平。与此同时,我国“人造太阳”实验研究装置水平得到了提升,于2009年继欧美日后,在托卡马克装置上实现了具有边缘局域模的高约束模式运行(ITER的参考运行模式)。此外,实验装置等离子体中的电子温度达到1亿度,离子温度约5000万度,等离子体密度等参数也得到了提升。

中国环流器二号M装置即将建成:提升聚变研究的能力及关键参数

通往聚变能源利用的道路上,在将来建设聚变示范堆(DEMO)前,ITER是最关键的一步。作为成员方,中国在ITER建成后要积极参与ITER的实验与运行,必须掌握ITER相关关键技术,并培养一批具有丰富经验且在国际上有竞争力的磁约束聚变研究队伍。

国内的现有磁约束核聚变实验研究装置,以及即将在核工业西南物理研究院建成并具有高参数等研究能力的中国环流器二号M装置就是起到上述作用的实验平台。

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中国环流器二号M装置示意图 核工业西南物理研究院 供图

“中国环流器二号M装置的研究能力和参数将大为提升。其中一项重要参数是等离子体电流,现有国内聚变实验研究装置在1兆安培左右,这个装置具备3兆安培的能力,离子温度可超过1亿度。”段旭如介绍称,等离子体电流的提高有助于提升装置实验运行的相关关键参数。

要在地球上实现受控核聚变,不能像太阳一样通过重力来约束高温高密度的等离子体以满足聚变反应条件,必须另辟蹊径:如通过强磁场来约束。要利用磁约束实现可控聚变反应持续稳定运行,等离子体中的离子温度须超过1亿度、密度足够高以及等离子体约束在一定空间的时间(能量约束时间)足够长,这三者的乘积必须突破所谓的“劳逊判据”条件。

三重积条件中,由于可达到的最高密度受装置电流能力的影响,等离子体电流越高,所能实现的密度极限值也就越高。等离子体被约束在由环形封闭磁场组成的“磁笼”中,电流越高,约束能力也越好,能量损失率越低,能量约束时间也就更长,并更易于获得更高的等离子体温度。

这有助于我国科学家在近堆芯等离子体参数条件下开展ITER相关的等离子体实验研究,积累经验、培养人才,以便ITER建成后中方有能力提出中方实验方案,积极地参与ITER实验运行。这也将为我国开展下一步核聚变堆的自主设计建造提供技术支撑。

由于聚变能实现商业化还有较长的路,核聚变常被戏称为是一项距离成功“永远还有50年”、“永远还有30年”的技术。段旭如谈到,外界之所以会产生这一感知,与早期对核聚变科学和工程技术上的挑战认识不足有关。

第一颗原子弹爆炸成功后不到十年,核裂变实现和平利用。因此氢弹爆炸成功后,人们在当时的条件下认为受控核聚变能在二三十年之内实现。但随着研究的深入,方才发现有很多科学技术问题有待解决。

“ITER计划能够实施,前期的科学可行性问题已得到解决,核聚变研究得以继续向验证工程可行性的方向发展。近十几年来,通过参加ITER计划,中国的核聚变研究水平和能力有了很大提升。现在来看,到本世纪中叶实现聚变能的和平利用,我们还是很有信心的。”段旭如说道。

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