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“人造太阳”掀起绿色能源革命

2013-11-30 20:51:31 来源:

位于安徽合肥的“人造太阳”装置

位于安徽合肥的“人造太阳”装置

近日,由中国科学院等离子体物理研究所自主研制的全超导托卡马克实验装置(俗称“人造太阳”)正在接受技术升级。它是目前世界上唯一能达到持续400秒、中心温度大于2000万摄氏度实验环境的全超导托卡马克核聚变实验装置。正在进行的升级计划达到“人造太阳”中心温度1亿摄氏度、延续时长1000秒的科学目标,以解决上亿摄氏度高温等离子体连续运行的世界难题,为中国参与的国际合作项目——国际热核聚变实验堆的400秒长脉冲实验奠定了基础。

人造太阳是个啥?

国际热核实验反应堆(ITER)计划也被称为“人造太阳”计划,由欧盟、中国、美国、日本、韩国、俄罗斯和印度等7方共同参与,其目的是借助氢同位素在高温下发生核聚变来获取丰富的能源。其原理类似太阳发光发热,即在上亿摄氏度的超高温条件下,利用氘、氚的聚变反应释放出核能。核聚变燃料氘和氚可以从海水中提取,核聚变反应不产生温室气体及核废料。由于原料取之不尽,不会危害环境,这一计划被寄希望解决未来的能源问题。

制造一个装置,通过受控热核聚变反应获得无穷尽的新能源。这就相当于人类为自己制造一个或数个小太阳,源源不断从核聚变中得到能量。

1939年,美国物理学家贝特证实,一个氘原子核和一个氚原子核碰撞,结合成一个氦原子核,并释放出一个中子和17.6兆电子伏特的能量。这个发现,揭示了太阳燃烧的奥秘。

ITER装置是一个能产生大规模核聚变反应的“超导托卡马克”。作为聚变能实验堆,ITER计划把上亿摄氏度、由氘氚组成的高温等离子体约束在体积达837立方米的磁场中,产生50万千瓦的聚变功率,持续时间达500秒。

20世纪50年代初,苏联科学家塔姆和萨哈罗夫提出磁约束的概念。苏联库尔恰托夫原子能研究所的阿奇莫维奇按照这样的思路,不断进行研究和改进,于1954年建成了第一个磁约束装置。他将这一形如面包圈的环形容器命名为托卡马克(tokamak)。这是一个由封闭磁场组成的“容器”,像一个中空的面包圈,可用来约束电离了的等离子体。

托卡马克中等离子体的束缚是靠纵场(环向场)线圈,产生环向磁场,约束等离子体,极向场控制等离子体的位置和形状,中心螺管也产生垂直场,形成环向高电压,激发等离子体,同时加热等离子体,也起到控制等离子体的作用。

为了维持强大的约束磁场,电流的强度非常大,时间长了,线圈就要发热。为了解决这个问题,人们把最新的超导技术引入到托卡马克装置中,目前,法国、日本、俄罗斯和中国共有4个超导的托卡马克装置在运行,它们都只有纵向场线圈采用超导技术,属于部分超导。其中法国的超导托卡马克Tore-Supra体积较大,它是世界上第一个真正实现高参数准稳态运行的装置,在放电时间长达120秒的条件下,等离子体温度为2000万摄氏度,中心粒子密度每立方米1.5×1019个。

东方超环再升级

几十年来,人们一直在研究和改进磁场的形态和性质,以达到长时间的等离子体的稳定约束,还要解决等离子体的加热方法和手段,以达到聚变所要求的温度。

把氘、氚的等离子体瞬间加热到1亿摄氏度,并至少持续1000秒,才能形成持续反应,让核聚变为人类所用。东方超环(EAST)寄托着中国科学家的期望。

报道称,东方超环的主机部分,高11米,直径8米,重400吨,作为世界上第一个全超导非圆截面核聚变实验装置,集中了超高温、超低温、超大电流、超强磁场和超高真空5个极限。从设计到建设,整个项目的自研率在90%以上,取得了68项具有自主知识产权的技术和成果。目前,中国在ITER七方采购包进度中已成为第一位。

EAST国际顾问委员会不久前在合肥召开第五次会议称,EAST是目前国际上唯一有演示未来ITER将会遇到关键物理和技术问题的装置,毫无疑问这对于ITER及未来的聚变电站都具有重要借鉴意义。例如,EAST在国际上首次采用高温超导电流引线,而中国这一技术成功应用于ITER,可为ITER节省人民币1000万元/年的制冷电耗,并可减少1.5亿元人民币的低温系统建设投资。

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。惯性约束聚变反应过程中的压力相当于1万亿个标准大气压,氘和氚会被压缩到仅有同质量液体体积的千分之一,反应时间最多只有100亿分之一秒。现有实验探测手段很难深入到聚变燃料内部进行测量,只能利用超级计算机模拟,研究其中的物理细节。更高性能的超级计算机的出现,将大大增加理论模拟的能力,加快研究进程,让人们早日实现可受控的人造小太阳。

未来挑战

利用可控聚变能是解决全球能源和环境问题的一个重要途径,而实现聚变反应堆商业化运行需要3个阶段:建造ITER装置并据此进行科学和工程研究;设计、建造与运行聚变示范电站;建造商业化聚变反应堆。

ITER本身将不能被用来发电,发电重任将交给聚变示范电站。但迄今为止尚没有一座反应堆能够产生净能量增益(即产出能量大于输入能量),科学家期望ITER能够突破上述障碍。

《科学》杂志网站曾报道,欧盟负责聚变研发工作的机构——欧洲聚变发展协会(EFDA)发布了欧盟聚变示范电站(DEMO)设计与开发路线图,计划于2050年建成一座未来可供工业界使用的原型聚变电站。该路线图认为,人类在利用聚变发电方面取得进展的关键在于ITER,因此需要倾力确保其成功,其中包括研究现有小型反应堆的各种运营方案。路线图指出,最大的技术挑战是如何从未来的聚变反应堆中排除核反应后的废气。

中国科学院等离子体物理研究所正积极开展中国下一代超导聚变堆(CFETR)的设计和相关预研,期望通过5-6年的努力,完成中国聚变工程实验堆的设计和关键部件预研,具备建设世界第一个能够长时间发电的聚变实验工程堆的能力,在下一个5年计划的中后期开始中国磁约束工程实验堆的立项和建设。

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