数十年深入研究 “人造太阳”在中国点亮

时间:2024-01-31 12:43 栏目:封面故事 编辑:投资有道 点击: 774 次

20世纪50年代,我国开始了在可控核聚变领域的研究。在相关研究过程中,我国先后建成并升级改造了中国环流器二号A和东方超环EAST,自主设计建造了中国环流器二号M装置等托卡马克装置,让“人造太阳”在中国点亮。

上世纪50年代 中国开启可控核聚变研究之路

太阳作为一颗恒星,利用自有惯性引力在太阳的内部不断产生核聚变反应,源源不断地发光发热,为地球上的万物生长提供能量。“人造太阳”则是模仿太阳产生核聚变反应原理在实验室里面建造装置,模拟演示等离子体达到产生聚变的条件,源源不断地释放出聚变能。

20世纪50年代,我国与国际基本同步,开始了在可控核聚变领域的研究,并于1965年在四川乐山建成了我国核聚变研究基地——西南物理研究所(今中核集团核工业西南物理研究院)。当时,国际上不同的技术路线此消彼长,最终苏联科学家提出的托卡马克方案异军突起,国际核聚变界的重点研究方向随之转向了托卡马克。

20世纪70年代,国家拟在合肥建造一个当时世界先进水平的大型热核反应实验装置。选择合肥的一个重要原因,是中科院电工所已于20世纪60年代在合肥建成一个储能达到2×108焦耳的大型储能电感装置(又称为“八号电感”)。此电感装置能为热核聚变装置的强大脉冲电源提供重要支持。当时策划中的托卡马克实验装置就被命名为“八号装置”,向国家申请立项的大科学工程项目就被称为“八号工程”。

20世纪90年代,我国用羽绒服、牛仔裤、瓷器等生活物资,换了苏联价值1800万卢布的T-7半超导托卡马克装置。当时,我国科研人员依靠自己的力量,对T-7及其低温系统进行了根本性改造。

在科研人员努力下,我国先后建成常规磁体托卡马克HT-6B、HT-6M等实验装置。1994年,我国第一个圆截面超导托卡马克核聚变实验装置“合肥超环”(HT-7)研制成功,使我国成为继俄、法、日之后第四个拥有超导托卡马克装置的国家。HT-7也是我国建成并投入运行的首个超导托卡马克装置。

1997年11月17日,中国科学院在合肥召开HT-7超导托卡马克装置鉴定会,鉴定委员会对建设HT-7装置的决策和工程设计研制及两年多的运行实验情况给予高度评价。 HT-7总共运行了17年,累计完成了10万次放电。2013年5月,HT-7正式被中国科学院和原环保部批准退役,成为我国首个获批退役的大科学工程装置。HT-7是一个传奇、一段历史,也是中国磁约束聚变研究走向世界前沿的见证。

“人造太阳”在中国点亮

在HT-7成功运行的基础上,“九五”国家重大科学工程——大型非圆截面全超导托卡马克核聚变实验装置(Experimental Advanced Superconducting Tokamak,简称:EAST),也就是广为人知的“人造太阳”于1998年7月正式立项,由中国科学院等离子体物理研究所于2000年10月开工建设,并于2006年3月完成建造。另外,2006年9月,EAST获得初始等离子体。

EAST是由中国科学家独立设计建造的世界首个全超导核聚变实验装置,主机部分高11米、直径8米、重400吨,由超高真空室、纵场线圈、极向场线圈、内外冷屏、外真空杜瓦、支撑系统等六大部件组成。EAST装置真空室的形状为D形(非圆截面)。同国际上其他托卡马克装置相比,其独有的非圆截面、全超导及主动冷却内部结构三大特性使其更有利于实现稳态长脉冲高参数运行。

2007年3月1日,国家发改委组织专家对EAST进行竣工验收。专家们认为,中国科研人员在国际上尚无全超导托卡马克的情况下,边建设、边研发,解决了大型超导磁体、大规模低温制冷等一系列关键技术问题,自主设计、加工制造了关键部件,形成了一系列高新技术成果。时任国家发改委副主任的张晓强在验收会上指出:EAST大科学工程全面、优质地完成建设任务,是我国科技界的一件大事,是中华民族值得骄傲的成就。 据公开资料,EAST曾屡屡刷新历史纪录。

2016年11月,EAST就成为了世界首个实现稳态高约束模式运行持续时间达到分钟量级的托卡马克核聚变实验装置。 2017年7月3日,EAST装置在世界上首次实现了5000万度等离子体持续放电101.2秒的高约束运行,实现了从30秒到60秒,再到百秒量级的跨越,再次创造了核聚变新的世界纪录。

2018年11月12日,中科院等离子体所又一次发消息称,我国大科学装置“人造太阳”取得重大突破,实现加热功率超过10兆瓦,等离子储能增加到300千焦,等离子体中心电子温度首次达到1亿摄氏度。

研制EAST过程中,许多关键技术取得突破并达到国际先进水平,同时也填补了多项国内空白:大型超导磁体关键制造技术的研发,成功地生产出了EAST所需的全部超导磁体;创造性地设计、建成了国内最大的大型超导磁体测试实验系统;创新性地设计、建造了我国最大的氦低温系统,制冷能力超过2kW/4.5K……

另外,在国际方面,随着EAST研制工作推进,2003年,我国开始商谈,并在2006年正式以“平等伙伴”身份加入了国际热核聚变实验堆(ITER)计划。通过科研人员的不懈努力,如今,我们实现了从“跟跑”“并跑”到“领跑”的跨越,走向了世界核聚变舞台的中心。

西南也有“人造太阳” 事实上,我国核聚变研究的主力军是两个研究单位,即:核工业集团公司下属的核工业西南物理研究院、中国科学院下属的等离子体物理研究所。这两个研究单位都有对我国核聚变研究非常重要的托卡马克装置。

具体而言,除了中国科学院等离子体物理研究所建造的EAST,西南物理研究院还利用德国ASDEX装置主机三大部件配套改建形成中国环流器二号A(HL-2A)。HL-2A于1999年正式动工建设,2002年11月中旬获得初始等离子体。

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。自装置建成以来,在国内先后实现了磁位形由限制器位形到偏滤器位形的跨越、等离子体约束模式由低约束模式到高约束模式的跨越等。尤其是2009年4月18日,中国环流器二号A在国内首次实现了高约束模式运行,使得我国成为继美、日、欧之后第四个实现高约束模式运行的国家。

此外,2020年12月4日,新一代“人造太阳”装置——中国环流器二号M装置(HL-2M)在成都建成并实现首次放电,为我国核聚变堆的自主设计与建造打下坚实基础。

HL-2M装置是HL-2A的改造升级装置,由我国自主设计建造,采用了先进的结构和控制方式,具有先进偏滤器位形的优势。其等离子体离子的温度可以达到1.5亿摄氏度,即太阳核心温度的10倍。

中核集团核工业西南物理研究院聚变科学所副所长钟武律指出,太阳到目前为止已经燃烧了大约50亿年。而太阳之所以能永不停歇地燃烧,是因为它的质量非常大,它靠万有引力可以强有力地把聚变材料,也就是它外层的氢元素原子核不断地往太阳芯部挤压,实现一个非常高的温度、非常高的密度,自然而然就发生核聚变反应。而中国的“人造太阳”所要做的,就是在地球上建一个能够承受住1亿摄氏度,甚至超过2亿摄氏度高温的装置。这种装置的原理和太阳发光发热的原理类似,最终的目的就是要利用它来实现核聚变,并且释放能量,用来发电。

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