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解密中国核聚变事业的前世今生
来源:中国电力新闻网 时间:2019-05-10 字体:[ ]

《流浪地球》《复仇者联盟》……在许多科幻电影中,核聚变往往成为终极能源被人类所掌握。近日,记者跟随国务院国资委新闻中心组织的“科幻作家走进新国企”活动,来到位于四川省成都市的中核集团核工业西南物理研究院(以下简称“核西物院”),近距离接触现实版“人造太阳”的聚变力量,亲身感受受控核聚变的前世今生。

HL-2A助推我国跻身核聚变能源开发国际先进水平

“核裂变是由重的原子核分裂为轻的原子核,释放中子并发生链式反应;而核聚变则是裂变相反的核反应形式,由较轻的原子核变化为较重的原子核。”核西物院院长刘永表示。

资料显示,目前在运核电站利用的核能均由核裂变产生,而核聚变释放的能量比核裂变更大。在人工控制下的聚变为受控聚变,在受控情况下释放能量的聚变装置,称为聚变反应堆或聚变堆。

刘永介绍,太阳犹如一个巨大的核聚变反应装置,不断地向外辐射能量,向地球输送能源。由于受控核聚变装置的基本物理原理与太阳内部核反应的机理相仿,所以这种装置被形象地称为“人造太阳”。

当然,距离完全掌握受控核聚变技术还存在一段征程,但是人类从未停止对该项技术的探索,位于核西物院内的中国环流器二号A(HL-2A)就是最好的证明。

据介绍,HL-2A是我国第一个带偏滤器的大型托卡马克聚变研究装置,为我国的受控核聚变研究提供了重要的实验平台。来到容纳HL-2A的“车间”,巨大且复杂成为对该装置的第一印象。仔细观察,该装置占地面积可达上百平方米,整体外形类似一个大型的轮胎,周围铺设的管路、线圈等各种辅助设备使整个装置多了几分神秘的色彩。

而这也仅仅是HL-2A的主体部分,据刘永介绍,HL-2A还有多个辅助系统分布于不同的厂房内。

“中国环流器二号A的辅助系统包括5兆瓦电子回旋器加热系统、3MW中性束注入加热系统、高性能计算机与数据处理系统以及30多种50余台套诊断系统等。”刘永补充道。

而基于HL-2A,我国在核聚变领域也取得了诸多成果。据介绍,HL-2A于2002年建成投入使用;2006年,HL-2A装置等离子体子温度达到5500万摄氏度,向聚变所需的亿度高温迈进了一大步;2009年,HL-2A装置国内首次实现了偏滤器位形下高约束模式运行,标志着我国已跻身核聚变能源开发国际先进水平。

据记者了解,在高密度条件下,等离子体温度一旦达到1亿摄氏度以上,可使数目可观的粒子具有足够动能克服原子核间斥力而实现核聚变反应,产生可观的聚变能。对此,刘永也透露,核西物院将于今年底建成中国环流器二号M装置(HL-2M),届时装置内等离子体温度将超过1亿摄氏度,具备开展堆芯等离子体研究的条件。

我国已制定“三步走”核能发展战略

那么受控核聚变作为未来能源有何优势?针对这一问题,刘永向记者表示:“核聚变能是人类最理想的能源,其固有安全性较高,产生的放射性废物极少,环境可接受性较为良好。”

另外,刘永介绍,核聚变反应的原料也极为充足。由于在所有核聚变反应中,氢的同位素氘和氚的核聚变反应最容易实现,而氘在海水中储量极为丰富,从一升海水中提出的氘,在完全的聚变反应中可释放相当于燃烧300升汽油的能量。

我国在上世纪50年代就开始了对核聚变的研究。随后在1965年,核西物院在四川建立,成为了我国最早的聚变研究专业院所,并先后建立了角向箍缩、仿星器、磁镜、反场箍缩等不同类型的装置。

时间轴来到上世纪70年代末到80年代初,彼时,我国开始在托卡马克型装置上进行了重点研究。1984年,在核西物院建成的中国环流器一号(HL-1)成为我国自主设计建造的第一个聚变大科学工程装置,荣获国家科学技术进步一等奖,标志着我国受控核聚变研究进入大规模物理实验阶段。

而在上世纪90年代,我国也制定了热堆、快堆、聚变堆的“三步走”核能发展战略。可以说,为了实现发展战略中的第三步,我国的科学家们已投入半个世纪时间去探索研究。

当然,研究核聚变的事业并不是一路坦途。“核聚变技术还面临诸多问题等待我们去探索。”在谈及核聚变研究目前的瓶颈时,刘永坦言。

“1亿摄氏度以上的高温、长时间约束在有限的空间中、足够高的密度是受控核聚变的三大条件。而在如此高的温度下,物质已经成为等离子体,这是除固体、液体和气体之外的第四种形态,我们对于该形态的认知还有待加强,而如何约束等离子体,也成为核聚变实验的重中之重。另外,还有核聚变装置的材料选择等方面的问题,都需要我们去探索研究。”刘永表示。

参与ITER计划为世界聚变研究贡献中国力量

面对受控核聚变这一未来能源,共同研究、共同探索成为全球各国的选择。在此背景下,“国际热核聚变实验堆(ITER)计划”也应运而生。

据介绍,ITER计划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,同时,ITER也将是世界上第一个聚变实验堆,是最终实现磁约束聚变能商业化必不可少的关键一步。2006年11月21日,中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国七方正式签署ITER计划的联合实施协定及相关文件。

“ITER是世界上在建的最大、最复杂的托卡马克装置,也是技术最先进的'人造太阳'。它的体积接近天坛的祈年殿,高30米,直径28米,重达1万吨。”刘永介绍道。

而在ITER计划中,中国也发挥了重要的作用。

“我国承担了ITER装置9%的采购包制造任务,如包层第一壁就由我国承担制造,目前我国已成为除欧盟外承担任务最多的国家。”刘永介绍道,核西物院作为我国参与ITER计划的主要技术支撑和研制任务主要承担单位之一,承担了我国ITER采购包任务中绝大部分涉核部件的研发与加工制造任务。

在参与ITER计划采购包制造任务的同时,我国核聚变领域的研究也获得了诸多突破。如316LN奥氏体控氮不锈钢、镍基718和A286高温合金等材料的成功研制,提升了我国聚变堆关键材料的研发能力,为中国聚变工程实验堆(CFETR)的设计与建造提供强有力的技术支撑;建成一系列从室温到极低温(-269℃) 的材料和部件测试平台,达到国际先进水平,在支撑ITER计划制造任务顺利实施的同时,还可应用于航空、航天、军工等高端领域。

而ITER计划也并非聚变研究的终点,未来,采用聚变技术的试验堆、原型电站也均有望走向台前,聚变的发展脉络也已逐渐明晰,人类掌握受控核聚变或也不再遥远。


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