四季更替, 潮起潮落, 鬥轉星移, 地球上生命賴以生存的能量來源, 是距離 '她' 1.5億公裡外, 那顆紅彤彤的聚變體.
沒錯, 太陽是一個超級巨大的聚變體, 其內部的核聚變反應, 每秒就有七億噸氫轉化成氦, 這個這過程中, 大約有五百萬噸的淨能量釋放, 大概相當於3.86X1026焦耳, 慢慢數吧~~
巨大的能量幾十億年來不停釋放, 為地球提供了源源不斷的光和熱. 所以, 才有了歌兒裡唱的: 萬物生長靠太陽!
核聚變能具有資源豐富, 固有安全性高, 環境可接受性好等特點, 是人類夢寐以求的能源形式.
上世紀80年代, 我國制定了 '熱堆-快堆-聚變堆' '三步走' 的核能發展戰略, 隨後通過參加國際熱核聚變實驗堆(ITER), 進一步推動我國聚變能源研究進入國際陣營.
經過幾十年發展, 我國的核聚變研究實力如何了?
中國核學會核聚變和電漿體分會理事長, 核工業西南物理研究院(以下簡稱 '西物院' )院長劉永日前在 '中國核學會2017年學術年會' 上透露, 我國在聚變工程和科學方面的研究, 已經由過去的跟跑, 並跑發展到現在某些領域的領跑. 而且, 我國承擔的ITER計劃採購包任務進展顯著.
站上核聚變研究先進平台
2006年11月21日, 中國, 歐盟, 印度, 日本, 韓國, 俄羅斯和美國七方簽署了ITER計劃的聯合實施協定及相關檔案, 擬共同建造一個超導托卡馬克型聚變實驗堆, 探索和平利用聚變能發電的科學和工程技術可行性. 據了解, ITER將成為世界第一個電站級別的聚變實驗堆, 是最終實現磁約束聚變能商業化必不可少的一步, 這也是中國首次以平等夥伴身份參與的最大國際合作項目.
'綠色核能科普展' 上的聚變堆模型. 朱學蕊/攝
據了解, 目前國內從事磁約束受控核聚變研究的單位包括西物院, 中科院電漿體物理研究所, 中國工程物理研究院等科研院所及一些高校. 其中, 西物院和中科院電漿體物理研究所是中方參與ITER計劃的主要承擔單位;貴州航天新力, 西部超導, 寧夏東方, 合肥科燁等企業參與了ITER計劃相關部件, 材料, 工藝的研發和加工.
'核聚變研究是人類曆史上最具挑戰性的課題之一, 其基本原理就是將原子核聚變反應釋放能量的過程慢化, 並和平利用該能量. ' 劉永說, '這項工程面臨極大的技術挑戰, 我們研究了50年之久, 主要因為它的實現條件很苛刻, 需要1億度以上的高溫, 長時間約束在有限的空間中, 並需要足夠高的密度. 幾十年來, 我們主要就是解決如何將上億度的高溫電漿體長時間約束起來, 讓其能充分反應, 解決聚變自持燃燒的問題. '
儘管過程艱難, 我國在聚變裝置研發及實驗方面仍取得了顯著進展.
目前, 具有一定國際影響力的磁約束受控核聚變主要研究設施(現役/在建)有EAST, HL-2A, HL-2M等. 其中, 在 '中國環流器二號A' (HL-2A)裝置上首次成功實現偏濾器位形托卡馬克運行和高約束模(H -模)放電. 這一重大科研成果, 使我國在繼歐盟, 美國和日本之後, 站上了核聚變研究的先進平台.
作為中國磁約束聚變實驗研究史上具有裡程碑意義的重大進展, 這個成果同時標誌著中國的磁約束聚變科學和電漿體物理實驗研究進入了一個接近國際前沿的嶄新階段. 在2016年的實驗中, HL-2A首次利用無源間隔波導陣列(PAM)天線在H模條件下實現了低雜波耦合, 為ITER低雜波電流驅動天線設計提供了重要數據.
此外, 今年7月3日, '東方超環' EAST實現了穩定的 101.2 秒穩態長脈衝高約束電漿體運行, 成為世界上第一個實現穩態高約束模式運行持續時間達到百秒量級的托卡馬克核聚變實驗裝置. EAST在近兩年不斷提升裝置能力, 在發現先進穩態運行模式中起到重要作用. 目前, EAST實驗取得新進展, 實現了全非感應穩態H模運行的新紀錄(約50秒), 全非感應穩態運行芯部約束提高, 高電子溫度的長脈衝運行大於100秒.
出色完成ITER採購包任務
'中國能夠參加ITER, 是因為過去50年我們打下了很好的基礎, 這幾年的進展更是突飛猛進. ' 劉永說.
據了解, 在科技部ITER中心的領導和組織協調下, 西物院及中科院電漿體物理研究所充分發揮在聚變裝置乃至聚變堆及其部件研製方面的研究優勢, 憑藉ITER組織的充分認同和良好溝通, 聯合國內相關優勢企業展開了技術攻關, 我國承擔的ITER採購包任務進展順利, 取得了一系列技術突破, 成果豐碩.
比如, 國內能不能提供ITER所用的超導材料?
答案是肯定的. '通過這個項目, 我們在超導材料方面完全走到了國際前列. 此外, 校正場線圈等材料也是由中國全部承擔. ' 劉永說.
再如, 在眾多採購包中, 西物院承擔的 '第一壁' 通過了多輪模組製作及高熱負荷試驗考驗, 雷射焊接工藝等關鍵工藝通過了IO(ITER國際組織)認證;ITER中子屏蔽模組採購包(SB)目前已進入國內供應商加工製造階段, 西物院負責包層屏蔽模組技術;西物院還承擔全部ITER磁體支撐任務, 基於ITER GS支撐結構進行優化設計和分析而提出的新設計方案, 得到了ITER認可.
'ITER計劃的實施帶動了國內相關學科和產業的發展, 其科學與工程目標是完全有望達到的. ' 劉永評價.
按照ITER計划進度安排, 2025年要產生初始電漿體, 2035年實現氘氚放電. '目前, 我們努力的方向是, 使聚變堆的過程能夠再快一點. ' 劉永說, 中國的聚變能發展路線圖已初見端倪, 我國將為爭取早日建成聚變堆, 率先實現核聚變能不懈努力. 2035-2040年, 我國將建造中國聚變工程試驗堆CFETR, 並啟動聚變示範堆DAMO的設計, 為本世紀中葉在我國獨立自主大規模建設聚變電站奠定堅實的科學技術基礎.
劉永表示, 聚變堆目前仍面臨關鍵技術挑戰. '聚變堆將在高品質和高參數(高的電漿體溫度, 密度)條件下運行, 產生持續穩定的氘氚聚變反應和聚變能量輸出, 這一直是聚變研究的核心內容之一. 在採用怎樣的運行模式和運行參數, 如何維持穩定的燃燒電漿體, 實現與外圍的工程部件相互相容, 確保裝置安全等方面, 一些關鍵物理和技術挑戰仍有待進一步研究. '