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在成都“造太陽”的人:他從“核”點亮人類終極能源夢想
2023-12-15 09:14:14 來自:四川新聞網 編輯:王云
指揮控制中心里的“中國環流三號”模型
 
  “硬核”科幻電影里的元素,在現實中能找到原型嗎?以電影《流浪地球2》中的行星發動機為例,其原理是“燒石頭”,產生強大推力,讓重達60萬億億噸的地球逃離太陽系,前往比鄰星開啟流浪之旅。
 
  科幻照進現實。電影里的行星發動機,其原理正如新一代人造太陽實驗裝置的工作原理。近日,記者實地探訪中核集團核工業西南物理研究院,這里有一群“造太陽”的人。“人類一直希望建造‘人造太陽’,利用可控核聚變反應來獲得源源不絕的清潔能源。”中核集團核工業西南物理研究院聚變科學所所長鐘武律在接受記者專訪時表示,核聚變能一旦成功應用,有望從根本上解決人類對能源的需求問題。
 
  就在不久前,人造太陽科研團隊自主設計、建造的新一代人造太陽“中國環流三號”,首次實現100萬安培等離子體電流下的高約束模式運行。這一重大進展再次刷新我國磁約束聚變裝置運行紀錄,標志著我國磁約束核聚變研究向高性能聚變等離子體運行邁出重要一步,是我國核聚變能開發進程中的重要里程碑。
 
  “造太陽”的人和他的第二個“太陽”
  當清晨的第一縷陽光照進核工業西南物理研究院聚變科學所時,新一代人造太陽的“家”開始熱鬧起來。這里就像一個大腦的“中樞神經”系統,大屏幕上的數據像一個個跳動的脈搏,坐在屏幕前,“人造太陽駕駛員”們操控、記錄、觀察著“中樞神經”傳來的一串串實驗數據和圖像。
 
  “人造太陽并不是真的造一個太陽,而是利用太陽發光發熱的核聚變原理,來解決人類能源問題。”在鐘武律的印象中,這是第N次被問到“已經有一個太陽,為何還要造一個太陽”。“造太陽”的最終目的是通過可控核聚變,解決人類對能源的需求問題,比如發電,獲得源源不斷的清潔能源,從而造福人類。換句話說,這種以探索清潔能源為目的的可控核聚變裝置,被形象地稱為“人造太陽”。
 
  眼前這個看上去像被人掰開的“橘子”瓣造型裝置,就是新一代人造太陽“中國環流三號”托卡馬克裝置等比例縮小的模型。若把裝置想象成閉合狀態,就像一個飽滿的“甜甜圈”造型。
 
  整個裝置的中間是一個環形超高真空容器,也就是人造太陽的心臟——真空室,里面真空度可達10的-6次方帕量級,內部會產生強磁場,里面的帶電粒子會受到磁場的約束和控制,而這種強磁場是通過向線圈通電進而產生的“磁籠子”,這就是磁約束核聚變。鐘武律解釋,在受控制狀態下,等離子體的形狀可呈現多種形態。
 
  “其實就是在一個大型環狀真空容器里面注入氣體,然后把氣體電離成等離子體,再利用強磁場把帶電粒子控制住,再進行加溫加壓,來達到核聚變反應的條件。”鐘武律介紹,要在地球上實現核聚變反應,條件非??量?,比如等離子體的離子溫度需要達到1億攝氏度以上,要知道太陽的核心溫度只有1500萬至2000萬攝氏度,要在地球上建造一個用來盛裝比太陽溫度還要高接近10倍的高溫反應物的容器,其難度可想而知,目前地球上沒有任何材料可以把1億攝氏度的高溫等離子體直接包裹起來,而人造太陽就是這樣一個容器。
 
  控制“人造太陽” 產生源源不絕的清潔能源
  核聚變反應就是兩個質量較輕的原子核聚合在一起形成一個質量較重的原子核的過程,在這個過程中會發生質量的虧損,根據愛因斯坦質能方程式E=mc2,這部分虧損的質量乘上光速的平方就會以大量能量的形式釋放出來。在地球上,已經實現了核聚變反應,氫彈爆炸就是核聚變反應。不過,鐘武律解釋,氫彈爆炸屬于不受控制的核聚變,而他們希望將這部分能量變得可控,讓它緩慢、持續地釋放。
 
  核聚變反應的主要原料氘可以從水中提取,在地球上儲量極為豐富,以海水的總量來估計的話,目前地球上現存的聚變燃料可以供人類使用上百億年。而且,根據測算,從1L海水中提取出的氘,經完全聚變反應后釋放的能量相當于300L汽油。核聚變不會產生放射性核廢料,對環境十分友好。而且從安全性角度來說,由于核聚變反應條件十分苛刻,任何一個條件不滿足,反應會立刻停止,不會發生失控。所以核聚變是人類認識到的可以解決未來能源問題和環境問題的終極手段。
 
  要實現可控核聚變能必須滿足三個條件,也就是所謂的“聚變三乘積”。鐘武律解釋:首先,是1億攝氏度的高溫。只有溫度特別高,原子核才會“跑”得更快。其次,是等離子體的密度要足夠高,這樣原子核之間碰撞發生聚合反應的概率就會提高。最后就是要等離子體自我“保溫”的時間——即能量約束時間足夠長,通常是秒量級。
 
  未來可控核聚變能一旦實現應用,人類能源問題有望得到徹底解決。相信電費可能會大幅度下降,海水淡化、深空探測、星際飛船等這類需要大量耗能的工程,將得到快速發展。
 
  從“0”到“1” 背后的“中國智慧”和“中國方案”
  中國的可控核聚變研究始于上世紀50年代,公開資料顯示,早在1955年,“兩彈一星”功勛獎章獲得者錢三強和核物理學家李正武等科學家便提議開展中國的“可控熱核反應”研究,這與國際社會關注核聚變幾乎同步。
 
  1984年,中國環流一號(HL-1)的建成,是中國核聚變研究史上重要的里程碑。2002年中國建成第一個具有偏濾器位形的先進托卡馬克裝置——中國環流二號(HL-2A);2006年,世界上第一個全超導托卡馬克裝置“東方超環”(EAST)首次等離子體放電成功;如今,中國環流三號(HL-3)托卡馬克裝置,首次實現100萬安培等離子體電流下的高約束模式運行,再次刷新中國磁約束聚變裝置運行紀錄,成為我國核聚變能開發進程中的重要里程碑。中國的磁約束聚變研究也在不斷發展和進步。
 
  眼前,這個高約3層樓,全身布滿金屬零件、管線的裝置,正是新一代人造太陽“中國環流三號”。它的成長過程,是科學家們一次次填補國內相關領域空白、經歷上萬次實驗的勵志故事。
 
  國際上也在緊鑼密鼓地建造國際最大“人造太陽”——國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃,ITER是目前規模最大、全球影響最深遠的國際合作項目之一。我國在2006年以平等伙伴身份加入該計劃,承擔了其中約9%的制造任務。2016年中核集團成功研制的ITER超熱負荷第一壁半原型部件在國際上率先通過認證,也讓中國在這個技術上達到世界領先水平。2023年11月,中國完成最后一批ITER磁體支撐產品的制造交付,按時兌現國際承諾。
 
  科研工作是一項永無止境的探索和創新,鐘武律說:“未來我們也將繼續在這條路上奮進拼搏。”
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