“人造太阳”离我们还有多远?

时间:2024-01-31 12:56 栏目:封面故事 编辑:投资有道 点击: 1,316 次

近年来,随着科技发展,“人造太阳”的多项关键性技术已经有一定的突破,未来“人造太阳”可能不再是梦想。

前面的文章中曾提到,全球对可控核聚变的研究主要分为两类,一类是磁约束核聚变,另一类是激光核聚变。

其中,国际热核聚变实验堆计划(以下简称:ITER计划)主要攻关磁约束核聚变技术,而ITER计划,最终将建造一个能产生大规模核聚变反应的托卡马克装置。

托卡马克被认为是最有希望的“人造太阳”方案,一旦实现将给人类带来取之不竭、用之不尽的能源,人类文明的发展也将跃上一个新的台阶。

全球:已经多次点火成功

在磁约束核聚变技术路线上,除了ITER计划的托卡马克装置外,全球主要托卡马克装置还包括:中国EAST、CFETR装置及韩国DEMO(K-DEMO)、日本DEMO(JA-DEMO)、欧盟DEMO(EUDEMO)、日本和欧洲合作建造的JT-60SA等。

2023年10月末,日本和欧洲合作建造的,迄今为止世界上最大最先进的新型核聚变反应堆JT-60SA正式运行,第一个等离子体已于10月26日实现,意味着核聚变领域又迎来了一个重要的里程碑。 1995年5月27日,美国托卡马克装置TFTR创造了5.1亿摄氏度的等离子体温度世界纪录。但仅仅过了一年,JT-60就打破了这个纪录,等离子体温度高达5.22亿摄氏度。

JT-60SA中的SA是超级先进的意思,是在前身JT-60的基础上,通过升级为铌-钛超导线圈发展起来的新型托卡马克装置。JT-60SA设定的等离子体电流5.5兆安培,温度2亿摄氏度。JT-60SA预计在两年内达到满功率,即将等离子体加热到2亿摄氏度,约束时间100秒。

此外,另一条路线激光核聚变技术方面,2023年10月,美国国家点火装置(NIF,即前面文章中提到的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的成功实验)成功点火两次,即实现可控核聚变净能量增益,让核聚变反应产生的能量多于这一过程中消耗的能量。至此美国科学家成功将点火次数增至四次。

这些点火实验中,NIF不仅实现了净能量增益,效率与精度也在不断提高。最新的一次实验再刷新纪录——输入能量首次达到2.2兆焦耳,3.4兆焦耳的输出能量也位列历次点火实验第二。NIF向实现数十兆焦耳甚至更高产能的目标,又迈进了一步。

NIF是世界最大的激光器,同样被称为“人造太阳”,能模仿太阳中心的热和压力,用以创造核聚变反应,在科学上意义重大。

中国“人造太阳”成果显著

我国在“人造太阳”领域同样有较为显著的成果。

2023年4月12日21时,中国有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)获重大成果,成功实现了403秒稳态长脉冲高约束模式等离子体运行,创造了托卡马克装置高约束模式运行新的世界纪录,对探索未来的聚变堆前沿物理问题,提升核聚变能源经济性、可行性,加快实现聚变发电具有重要意义。

EAST作为国家重大科技基础设施,拥有类似太阳的核聚变反应机制。4月12日晚,在中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所EAST大科学团队多年来的聚力攻关下,EAST成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒,刷新2017年的101秒世界纪录,实验现场一片欢腾。

中科院合肥物质科学研究院副院长、等离子体物理研究所所长宋云涛说,这次突破的主要意义在于“高约束模式”。高约束模式下粒子的温度、密度都大幅度提升,这为提升未来聚变电站的发电效率、降低成本奠定了坚实物理基础。

据悉,EAST装置上有核心技术200多项、专利2000余项,汇聚“超高温”“超低温”“超高真空”“超强磁场”“超大电流”等尖端技术于一炉,共有上百万个零部件协同工作。这次成功突破,离不开等离子体控制、加热、先进诊断等技术提升和内真空室改善。

近年来,EAST装置性能不断提升,装置运行区间不断扩展,取得了多项国际托卡马克运行的重大标志性成果。EAST装置取得的系列重大创新成果,为ITER运行和我国自主建设运行聚变堆提供了重要的实验基础。

2023年8月25日,中核集团核工业西南物理研究院(以下简称:西南物理研究院)宣布,“中国环流三号”托卡马克装置(HL-2M)首次实现100万安培等离子体电流下的高约束模式运行。此前在2022年11月,西南物理研究院就宣布HL-2M等离子体电流首次突破100万安培。

“中国环流三号”是我国目前设计参数最高、规模最大的核聚变大科学装置,也被称为中国的新一代“人造太阳”。

高约束模式是一种先进的反应堆运行模式,由德国科学家弗雷德里希·瓦格纳(Friedrich Wagner)在1982年率先提出。和更早的一些运行模式相比,在加热等离子体以达到聚变条件的过程中,高约束模式能大幅增加等离子体的密度和储能,将聚变反应的效率提高数倍。

高约束模式的发现带来的最直接影响,就是可以缩小聚变反应堆的规模,节约建设成本。这也是正在建造的ITER选择的标准运行模式。

2023年12月14日,在法国卡达拉舍,西南物理研究院与国际热核聚变实验堆ITER总部签署协议,宣布新一代人造太阳“中国环流三号”面向全球开放,邀请全世界科学家来中国集智攻关,共同追逐“人造太阳”能源梦想。ITER计划的科学领域副总干事Yutaka KAMADA、西南物理研究院院长刘叶分别代表双方签署协议。

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