中国人造太阳再获大突破 为何让西方忧虑

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2017-07-26 04:32:16
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中国科学院等离子体物理研究所于北京时间7月4日宣布,中国的超导托卡马克实验装置东方超环(EAST)在全球首次实现了上百秒的稳态高约束运行模式,此项跨越级突破为人类开发利用核聚变清洁能源奠定了重要的技术基础。这也是经过多年研究,中国的科研团队成功攻克一大批国际共性难题后,在世界上首次实现5,000万度等离子体持续放电101.2秒的高约束运行。

 中国新一代“人造太阳”实验装置获重大突破(图源:新华社)

继2016年末取得重大突破,时隔半年中国再次取得更具有里程碑意义的突破,实现了从60秒到百秒量级的跨越,显示中国聚变研究的发展速度已遥遥领先其他国家。其重要性在于高约束模式是被物理学家认为的未来核聚变电站的最佳工作状态,此次突破对于后续核聚变电站的研究具质变意义。

毫无疑问,这次的突破将为中国下一代核聚变装置的建设,世界第一座核聚变电站——拟建的中国聚变工程试验堆(CFETR),以及国际核聚变清洁能源的开发利用夯实基础。

dwnews.com
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什么是“人造太阳”

当下人类所处的时代,能源应用无所不在,但迄今为止各种能源的使用或多或少都会受到总量、时间或地域等的限制,而聚变能源的开发,将助力人类彻底解决能源需要。

科学实验告诉我们,当质量较小的原子合并成质量较大的原子时,会伴之发生质量减少和能量释放,即核聚变反应。与核裂变不同,使原子彼此合并发生核聚变,必须让它们的原子核接近到飞米级。而要达到此距离,则需将原子核加热到数千万摄氏度以上,从而使其具有极大动能,以克服电荷间极大的斥力。亦因此,核聚变反应又被称为热核反应。

相较其他各种能源,核聚变的燃料供应充足。核聚变能利用的主要燃料氘大量存在于海水中,海水中氘的总量约45万亿吨,按世界消耗的能量计算,海水中氘的聚变能可用几百亿年。另一种核聚变主要燃料氚则可由锂制造,虽说地球上锂的储量比氘少,但从已知储量两千多亿吨来看,人类将其用来进行氘氚反应也够用了。

人们熟知的太阳即可谓是一个大规模的核聚变反应堆,每天都在产生巨大的能量,其中心温度达到1,500万摄氏度。虽然核聚变能源虽然取之不尽、用之不竭,但如何安全、可控地利用聚变能源却是人类一直在努力仍未解决的课题。

为解决聚变控制问题,世界各地建立了多个聚变实验装置。美、法等国在上世纪80年代中期发起了耗资数十亿欧元的国际热核聚变实验堆(ITER)计划,旨在建立世界上第一个受控热核聚变实验反应堆,为人类输送巨大的清洁能量。这一过程与太阳产生能量的过程类似,故而受控热核聚变实验装置也被俗称为“人造太阳”。

稳态高约束运行模式是ITER计划的基本运行模式,也是未来反应堆需要解决的关键科学问题。ITER预计将在2025年点火,产生第一束等离子体。中国于2003年加入了该计划,并在项目中承担10%的工作量。

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中西角力“人造太阳”

中国虽然初期在ITER计划中承担工作量较小,但随着时间的推移在该计划中扮演的角色益发重要。2016年,由中国研制的热核聚变堆核心部件在国际上率先通过认证。中国科研人员在国际竞争中率先摸索出让三种材料紧密结合的创新工艺,并在权威机构进行的试验中经受住了比设计标准高出20%的极端高温环境考验。业界认为,这是中国对国际热核聚变实验堆项目的重大贡献。

除了参与ITER项目,中国自己也在开发研制核聚变实验装置,并将其命名为EAST。EAST是由中国科学家耗时8年独立设计建造的世界首个全超导核聚变实验装置,于2007年通过国家验收。其规模比ITER小,但两者均系全超导非圆截面托卡马克,即两者的等离子体位形及主要的工程技术基础相似,而EAST至少比ITER早投入实验运行10年至15年。

中国“人造太阳”不断获得突破,EAST近年来取得一系列国际领先实验成果。中国第四代核聚变实验装置东方超环高11米、直径8米、重达400吨。2016年11月,EAST成为世界首个实现稳态高约束模运行持续时间达到分钟量级的托卡马克核聚变实验装置。而此次,EAST又实现百秒量级的突破,这是等离子体被控制在高约束模式下获得的最长世界纪录。

据了解,ITER将采用射频波主导的低动量注入运行模式以及主动水冷的钨偏滤器结构。EAST则是目前世界上唯一具备这两大特色的且具有长脉冲运行能力的全超导托卡马克,其稳态运行模式将为ITER和未来核聚变反应堆提供重要参考。

作为国际重要的长脉冲核聚变实验平台,近年来,EAST相继完成了辅助加热、钨偏滤器、等离子体物理诊断等系统的升级改造,克服了加热与电流驱动、分布参数测量等关键技术难题,深入研究和基本解决了射频波耦合、高约束等离子体稳定性控制、等离子体与壁相互作用物理、低动量条件下加热和电流驱动下输运、杂质输运和控制等一系列稳态运行密切相关的物理问题。

中西方在“人造太阳”方面的角力,西方明显已处于劣势。

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西方的忧虑

2016年4月25日,中科院等离子体物理研究所为法国聚变实验装置WEST建造的首套离子回旋天线竣工并交付法方。这是中国首次向法国出口核聚变工程技术,同时亦是中国首次向国际输出业界最高标准的核聚变关键部件。

显然,中国的快速发展引发了其他国家的担心。拟建的CFETR将在2030年投入运转,最初的发电量为200兆瓦,在随后10年发电量将提升至千兆瓦,超过大亚湾所有商业裂变反应堆的发电量。如果中国成为首个实现聚变技术商业化的国家,其经济、地缘政治优势将更为彰显。

近年来中国在ITER项目中的影响力显著提高,据传,因为担心中国将利用从ITER获得的知识加快CFETR的建设速度,ITER项目的其他6个参与方,日本、韩国、俄罗斯、美国、印度和欧盟甚至讨论要将中国踢出该国际项目组。但现实是,如果中国不再参与,受多年延迟和巨额超支严重困扰的ITER或将无法继续下去。

在7个参与方中,ITER的中国籍雇员人数初期是最少的,如今已仅次于欧盟。“对其他国家来说,最好的选择是接受甚至支持中国领导聚变研究”, 牛津大学基督圣体学院院长、前英国卡勒姆聚变中心主任史蒂文•考利(Steven Cowley)对媒体作出了如是表示。

撰写:刘言

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