加入“人造太阳”计划十年 中国核聚变技术冲向领跑


 发布时间:2020-09-25 15:08:47

ITER计划的目标是在法国共同建造一个超导托卡马克型聚变试验堆。总共分为建造、运行、去活化、退役4个阶段。根据ITER计划的部署,2007年至2025年为建造阶段;2026年至2037年为运行阶段;2037年至2042年为去活化阶段。作为世界上第一个大型托卡马克聚变试验堆,ITE

此外,在此基础上,解决维持运转所耗费的能量大于输出能量的问题。研究可受控聚变,是人类漫长的“夸父逐日”。据了解,截至目前托卡马克装置都是脉冲式的,等离子体约束时间很短,大多以毫秒计算,个别可达到分钟级。因此,还没有一台托卡马克装置能够实现长时间的稳态运行。包括中国、美国、法国等国家在内的科学家尽管都在聚变研究上取得了一些突破,但越来越多的研究者们意识到,仅靠一国之力,很难完成受控聚变实验堆的任务,ITER计划由此而生。

目前,英国卡拉姆的欧洲联合环形加速器(JET)以及正在法国建设的测试反应堆的国际热核聚变实验堆(ITER)计划使用的都是磁约束核聚变装置。磁约束核聚变使用强大的电脉冲轰炸重氢来产生等离子体。在聚变发生前,科学家们需要施加一个强大的磁场,将等离子体牢牢限制住。然而,做到这一点很困难,因为等离子体很快会发生泄露或变得不稳定。现在,科学家们计划利用激光核聚变产生电力。与磁约束核聚变相比,激光核聚变产生的温度更高、压力更大,因此,核聚变发生得更快,只需要将等离子体限制几十亿分之一秒即可。

正在接受升级的中国“人造太阳”,为新一轮的物理实验作准备,与此同时,日前,超级计算机“π”系统在上海交通大学上线运行,将支持“人造太阳”的惯性约束核聚变项目等高端科研工程。据了解,“π”系统峰值性能达到263万亿次,位列最新全球TOP500榜单第158名,将成为“IFSA惯性约束聚变科学与应用协同创新中心”的超算核心支持平台。上海交大激光等离子体教育部重点实验室特别研究员陈民介绍说,人类对于可受控核聚变的研究离不开超级计算机技术。

事实上,人类已经实现不受控制的核聚变,如氢弹的爆炸,但要想有效利用核聚变释放的能量,必须合理地控制核聚变的速度和规模,实现持续、平稳的能量输出。为了能够早日实现聚变能的可控释放,科学家进行了很多尝试。一、磁约束型核聚变磁约束热核聚变是当前开发聚变能源中最有希望的途径,在受控核聚变的探索方面,已提出了许多种磁约束途径,其中环形磁约束装置(托卡马克)是目前各个实验方案中最成功的方法。托卡马克的中央是一个环形的真空室,外面缠绕着线圈,在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场,将其中的等离子体加热到很高的温度,以达到核聚变的目的。

这一计划又被称为“人造太阳”,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,其目标是在和平利用聚变能的基础上,探索聚变在科学和工程技术上的可行性。在核聚变领域,我国与国际上基本同步,某些方面甚至领先2003年2月,我国正式加入ITER计划谈判;2007年,国家批准设立“ITER计划专项”;2008年,我国全面开展ITER计划工作。我国磁约束核聚变研究历史,可追溯至五六十年代。当时,中科院物理所最先建造了一个直线放电装置和两个角向箍缩装置,并于1974年建成了我国第一台托卡马克CT—6。

核聚变的特点是零碳污染、环境可持续,但释放的能量巨大,菠萝大小的燃料能提供1万吨煤炭提供的能量;聚变燃料可从海水中提取,几乎用之不尽;即便聚变反应受到干扰,反应堆也可安全关闭,由于燃料用量很少,一次只要2到3克,也不用担心发生堆芯融化等事故。比戈介绍说,ITER至2025年阶段的最新总预算为200亿欧元(约合236亿美元),迄今已用掉近一半的资金。作为总干事,比戈表示自己的主要任务就是让7个参与方齐心协力,按时交付各自负责建造的组件。

NIF惯性约束聚变副主任约翰·爱德华兹表示,他们需要在一个非常可控的方式下利用激光束快速加热(点火要求在十亿分之一秒内),使目标物的最外层发生爆炸,目标物的剩余部分在强烈内爆的驱使下,内部燃料瞬间压缩,形成冲击波,进一步加热中心区域的燃料,导致可持续性燃烧,产生巨大能量。实验“几乎已经成功”,但舱室却在极端的温度和压力下屡次过早破裂。约翰·爱德华兹称,为实现“点火”,他们已面对了相当多的挑战——足够的X射线强度、精确的能量传递等,但现在仍有一个关键障碍横亘于此。

欧盟、中国、美国、日本、韩国、印度和俄罗斯共同资助这个项目,其中欧盟出资约45%,其他6方各承担约9%,最终目标是在2050年前后实现核聚变能商业应用。11月28日,中国科技部在北京召开“ITER十年——回顾与展望”研讨会,宣布从2008年至2017年,中国承担的ITER采购包制造任务已全部落实。此外,在中国参与ITER的带动下,国家磁约束核聚变能发展研究共部署119个项目,总计安排经费约40亿元人民币。

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