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您的位置:中国核电信息网 >  > EAST东方超环人造太阳:渴望点亮核聚变的第一盏灯
 

    人造太阳,不是挂在天空,而是以超导磁场约束,通过波加热,让等离子气体达到上亿度的高温,发生聚变的大科学装置,就像太阳一样,为人类提供源源不断的能量。

    在合肥的科学岛上,中国的“人造太阳”——“东方超环”率先实现一亿度的超高温,实现了101.2秒稳态长脉冲高约束等离子体运行,在聚变这个全球竞争的科学顶峰攀登赛中,一直保持着领先。中国的目标,是点亮人类核聚变的第一盏灯。

    “聚变是全人类的梦想。”这是李建刚对中国力量采访组说的第一句话。

    李建刚是中国工程院院士,中国磁约束聚变专家委员会召集人,曾任中国科学院等离子体物理研究所所长,在合肥西郊的科学岛上深耕近40年,致力于核聚变研究,是国家重大科学工程“EAST超导托卡马克聚变装置”辅助加热系统的负责人。EAST装置也被称为“东方超环”,是我国自主设计建造的、世界上第一个非圆截面全超导托卡马克核聚变实验装置。

    简单说来,因为这个装置的目标是实现亿度超高温的核聚变,其能量爆发与太阳类似,也被称为人造太阳。目前EAST已经实现了电子温度1亿度的超高温并持续几秒钟。

    控制大厅的外墙上,挂着8块牌子,其中两块是“国际聚变能联合中心”“世界实验室 核聚变中心”。“科学无国界,核聚变研究可能是全世界科学家合作最好的一件事。”李建刚说。

    一笔划算的买卖:400万物资换来T7

    核聚变是全世界能源发展的前沿方向,简单说就是质量小的原子,主要是指氘,在超高温高压下碰撞,发生互相聚合,生成新的质量更重的原子核,比如氦。前苏联科学界发明了托卡马克后,在1958年对全世界解密,包括中国在内的多个国家都陆续开展了对该领域的研究。

    一个偶然的机会,让中国的托卡马克有了飞跃的机遇。

    “上世纪90年代,在前苏联解体之前,苏联人打算把一个T7的半超导装置赠送给其他国家,然后他们自己做一个更大的。我们的老所长霍裕平对苏联专家说,那就送给我们吧。这件事成为中国聚变史上的一个佳话,我们用价值400万人民币的生活物资,换了前苏联价值1800万卢布的T7装置。”事情虽然已经过去很久了,但讲起这件事,李建刚还是很兴奋。现在,ESAT大厅门口还摆放着已经退役的T7,一米多高,像一个环形穿插进方块里。

    有了T7,所里就用这个装置来学习吸收消化,拆解一遍,装上一遍,再拆解一遍, “这样大家就知道,原来托卡马克是这样的啊。”全所上下齐心努力,三年半之后,组装出了自己的托卡马克——合肥超环HT-7,而且比苏联的T7好很多:T7能做到1000万度大概几秒钟,而合肥超环可以做到1200万度持续400多秒。

    不过,基于当时的条件,很多部件都无法实现国产,有时还要请俄罗斯专家来检修。有一次,请来一位俄罗斯专家,下午5点多乘飞机抵达,那位专家先是要吃饭、要喝酒,后来又说累了要休息,全所上下几百人就眼睁睁地等着他休息好。“从那时起,我们就下定决心,最关键的技术部分,一定要百分之百国产化。”

    一只“科幻蜘蛛”:与EAST亲密接触

    实现核聚变,半超导还不够,一定要做全超导,世界各国的科学家都在朝这个方向努力,包括美国、韩国、日本、美国、印度等。经过10年的努力,中国科学院等离子体物理研究所于2006年建成了全超导的东方超环,并且关键的技术部分实现了百分之百国产!

    采访组到达时,正是东方超环的实验季,不过,采访组的运气很好,当天早上,正好碰上EAST短暂的停机检测,采访组也有机会近距离和东方超环亲密接触。

    EAST控制大厅的外形像是一个巨大的圆形太空舱,科幻感十足。经过两道闸门后,刷卡进入一个密闭的空间,我们见到了EAST的真容。

    EAST给人的第一印象像是未来的机器蜘蛛,整个装置重量约400多吨,中间是高11米、直径8米的圆柱形大型超导磁体,由D形的超导线圈围成的,实验时,超导形成的磁约束,让等离子体成为悬在空中的一团火球,不断加热,达到上亿度的超高温。周边的高功率波加热、中性束注入、低温制冷、高功率电源、等离子体诊断、遥操作维护等系统像是伸出来的“腿”,支撑在大型超导磁体周围。抬头向上看去,一面五星红旗矗立在EAST顶部。

    在EAST前方,还展示了一些我国创新制造的部件,包括超导线、石墨瓦、钨铜部件、高压绝缘套筒与法兰,以及世界最高参数的68KA超导高温电流引线等,这些都是EAST能够成功运行的基础。

    所里的技术人员把实验一次叫“放一炮”,在EAST控制大厅里的超大屏幕上显示着一个数字:87068,这意味着EAST已经放电87068次。实验时,两道闸门关闭,室外警报响起,随着实验人员输入各种参数,大屏幕上开始倒计时,当倒计时归零时,EAST开始加热,磁约束下的那团气体的影像会出现在大屏幕上,周边是炽热的红黄色,中间是黑色。黑色,意味着达到了一亿度的超高温。几秒后,火焰消失,一次实验结束。

    一项研究衍生多项科技成果:有望实现超导质子治疗

    核聚变研究中应用的各方技术都代表着目前人类科技的最高水平,这些技术一旦转化到其它产业中,也会带来巨大的提升,为全人类服务。

    “超导的一个最常见的应用就是平常我们去看病的核磁共振。”李建刚说,“现在人们去拍片子最好的设备磁场才1.5个特斯拉,未来核磁共振可以做到10个特斯拉。1.5特斯拉和10个特斯拉是什么概念?就是能把发现癌细胞的精度提高十倍、二十倍,如果要杀死癌细胞,再加入一个加速器的技术。”

    等离子体所正在开展超导质子治癌项目,大约5年的时间内,他们有望研发出一款新设备,可以实施精确放疗,让老百姓治疗癌症的价格大幅下降。目前,类似的设备大都依赖进口,使用不仅要排队,而且价格高昂,治疗费用对普通家庭而言难以承受。

    “聚变的副产品就是海水淡化和氢。加热的海水,高温后汽化,最后冷却回来自然就实现淡化了,而高温产生的氢,可以提供大量的清洁能源。可以说,把聚变中的这些技术用到国民经济上,能够把我们的生活质量大幅提高。”

    核聚变,就像当年的信息革命、半导体革命,一旦能够实现,整个人类社会都会发生革命性的变化。

    科技革命往往也会伴随着担忧和质疑的声音:又是核、又是高温,会不会不安全?

    “非常安全!”李建刚说,“我们实验了20多万次,失败也有几万次,最多的损伤就是那团火球偏了,烧了内壁。因为,一旦出现情况,我们可以实现瞬间降温、停止聚变,火球又变成气体,基本没有衍生灾害。”

    在采访当日,EAST超导托卡马克团队的一个新成果在线发表在国际权威物理期刊Physical Review Letters(《物理评论快报》)上,在托卡马克核聚变实验装置中,高约束等离子体的边界区域会周期性地爆发出一种称为边界局域模(ELM)的不稳定性,大幅度ELM类似太阳耀斑爆发。在前期成功探索、实现了杂草型小幅度边界局域模(Grassy ELM)运行的基础上,EAST超导托卡马克团队揭示了Grassy ELM产生的物理机制,进而利用这种自发的高频小幅度Grassy ELM,发展出了一种高性能稳态等离子体运行模式,并系统验证了其与未来聚变堆若干运行条件的兼容性。

    一百亿投入的背后:全球科学家协力合作

    “通过聚变,一升海水就可以提供300升汽油的能量,而且,海水基本是取之不竭的。但是,要让核聚变成为主要的能源还十分困难。”李建刚说。

    难在哪里?它需要同时满足三个条件,首先要有亿度级的超高温,其次是高温要有足够的持续时间,第三是持续产生高温这个过程必须可控。“这不是单靠某一个科学家的智慧能够解决的,必须要全世界的科学家联合起来做。”李建刚说。

    一个上亿度的火球,现在最多只能做到持续几秒钟,离实现持续24小时、365天还有遥远的距离。现在的材料,几百上千度就化了,上亿度的高温,对材料、对控制都有着极高的要求。

    “超导材料的需求是百吨计的,过去,我们国家一年只能生产出几十公斤,而现在,一家生产商一年就可以供应数百吨。但是,聚变下一步所需要的材料,是现在性能的数倍以上,目前很多材料和技术还无法满足下一步实验的要求。”

    核聚变需要诸多尖端科学领域的合作。实现之后还有工业化的过程,作为能源产品,还要做到足够便宜。

    “这不是短时间可以实现的,可能需要几十年,大规模经济应用可能还要上百年,这也是全球科学家在这件事上可以合作的原因。”

    中国加入了国际热核聚变实验堆(ITER)计划,这是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一,ITER装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托克马克,参与计划的七方有中国和欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯、美国,包括了全世界主要的核国家,覆盖的人口接近全球一半,中国在这一计划中要投入100亿人民币。参与计划科学家的平台、技术和发现是共享的。

    在EAST控制大厅,我们见到了不少外国科学家,李建刚介绍说,上个月的某一周,EAST全部实验是中美联合实验,有几十位美国科学家加入进来。美国的DIII-D装置也有差不多一个星期的联合实验。“到下一周我们还会采取第2轮国际联合实验。”

    联合实验也叫THIRD SHIFT,联合实验室是异地的,通过网络,在圣地亚哥、在MIT、在普林斯顿就能参加EAST的实验。“在EAST,一般白天是中国科学家,到了下午,就换成欧洲科学家,等到半夜,就是美国科学家。通过网络,全世界的科学家都能参与其中。”前面看到的世界最高参数的68KA超导高温电流引线,就是我国提供给ITER的。

    一座新实验堆的愿景:在中国点亮核聚变的第一盏灯

    “中国是最有可能率先实现聚变发电的国家。”李建刚说。

    “首先,中国有14亿人口,而我们的人均能耗只有美国的1/6,我们的需求是巨大的。第二就是中国有体制优势,这十几年来,中国的发展速度举世瞩目,因为中国可以坚定地实施中长期的规划,可举国之力办大事。”

    欧美的科学家,单兵作战能力强过中国科学家,但多人集团作战,就是中国科学家的优势,而聚变,恰恰是一个需要众多人才长期努力的科学实验,中国在这一领域的优势可能是全世界其他国家都没有的。

    目前,从全球来看,EAST一直处于领先位置,但我国不仅仅满足于此,正在酝酿一个更大的计划。

    李建刚告诉记者,在科技部的支持下,他们正在筹划建设一个新的聚变实验堆,其规模要超过目前的ITER,“目前正在设计阶段,有100多个单位、近800名科学家参与,希望5年能完成设计,建设要用10年的时间。”

    目前ITER的功率是50万千瓦,我国未来的新实验堆将实现200万千瓦,聚变功率大4倍。ITER并不能发电,而我们的新实验堆将具有发电功能。“所以,我们非常有信心地说,人类核聚变点亮的第一盏灯,一定会在中国。”

 
 
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