人造太陽最新進(jìn)展 中國下一代“人造太陽”啟動工程設(shè)計(jì)

這是利用磁場對等離子進(jìn)行約束的托卡馬克裝置

7月5日，我國的超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置(EAST)在全球首次實(shí)現(xiàn)了上百秒的穩(wěn)態(tài)高約束運(yùn)行模式。

這是一個里程碑式的突破！將為我國下一代核聚變裝置的建設(shè)和國際核聚變清潔能源的開發(fā)利用奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

EAST的前世今生

如果說起EAST的學(xué)名大型非圓截面全超導(dǎo)托卡馬克裝置，可能沒有多少人知道，但是如果提起“人造小太陽”，很多人耳熟能詳。

一個一百萬千瓦電站需要50萬噸煤，核電站需要30噸核燃料。同樣級別熱核聚變電站僅需要100公斤重水和鋰。相比于目前的核電站，熱核聚變是非常安全的，因?yàn)榫圩兊漠a(chǎn)物只是氦氣。資源是無限的，同時又是清潔的，所以長期以來被科學(xué)家認(rèn)為是未來人類終極能源。

50年來，人類渴望在地球上實(shí)現(xiàn)太陽內(nèi)部核聚變的模擬，期望能夠把驚人的能量穩(wěn)定地輸送給電站。托卡馬克是人們未來得以實(shí)現(xiàn)“完美能源”這一暢想的化身。

“托卡馬克最早是蘇聯(lián)人的發(fā)明”，中科院等離子所副所長宋云濤告訴科技日報記者，上世紀(jì)90年代初，我國用400萬人民幣的生活物資，向前蘇聯(lián)換來了當(dāng)時價值1800萬盧布的托卡馬克裝置。

“我們花了一年半的時間把它全部拆掉，又花了兩年的時間把它裝起來，在這上面做了大量的實(shí)驗(yàn)。其他國家都做到幾秒鐘，我們在這個裝置上面做到了1000萬攝氏度持續(xù)60秒放電”，宋云濤告訴記者，熱核聚變會產(chǎn)生上億攝氏度高溫的等離子體，比太陽中心部的溫度還要高五六倍！它跟周邊的材料是強(qiáng)相互作用，需要控制得非常精確，精確到零點(diǎn)幾個毫米和零點(diǎn)幾個毫秒以下，“否則的話，只要一偏心，碰什么燒什么。”

怎么才能實(shí)現(xiàn)“人造太陽”？科學(xué)家想了一個辦法，就是把一團(tuán)上億攝氏度的等離子體火球，用磁場把它懸浮起來，跟周邊的任何容器材料不接觸，這個時候就可以對它加熱、控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“人造太陽”。

因?yàn)橥锌R克產(chǎn)生磁場線圈是用常規(guī)的銅線做的，消耗了大量的能量，采用超導(dǎo)技術(shù)就比較容易得到聚變能量。在托卡馬克的基礎(chǔ)上，中科院等離子體所科研人員僅用10年時間，就自主設(shè)計(jì)和建造出世界上首個全超導(dǎo)托卡馬克裝置EAST。

“東方超環(huán)”EAST作為世界上第一個全超導(dǎo)非圓截面核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，集中了超高溫、超低溫、超大電流、超強(qiáng)磁場和超高真空等多項(xiàng)極限。

“從設(shè)計(jì)到建設(shè)，都是我們自己做的，整個項(xiàng)目的國產(chǎn)化率達(dá)到90%以上，自研率在70%以上，同時還取得了68項(xiàng)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和成果。”宋云濤告訴科技日報記者，EAST主要用來探索實(shí)現(xiàn)聚變能源的工程、物理問題，為未來能源發(fā)展提供新思路。“現(xiàn)在，科研人員正在對EAST進(jìn)行全方位的升級改造，為新一輪物理實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。”

CFETR概念圖 受訪者供圖

每一項(xiàng)技術(shù)都逼近了極限

1億攝氏度，1000秒。這兩個數(shù)字是橫亙在中國科學(xué)院等離子體研究所核物理科學(xué)家和全球科學(xué)界面前的兩座難以跨越的山峰。

要讓核聚變?yōu)槿祟愃?，就意味著要把氘、氚的等離子體瞬間加熱到1億攝氏度，并至少持續(xù)1000秒，才能形成持續(xù)反應(yīng)。而這正是“東方超環(huán)”EAST的使命。上億攝氏度和零下269攝氏度，每一個極限都是科研領(lǐng)域的高、精、尖難題，開拓創(chuàng)新就意味著挑戰(zhàn)極限。

“傳導(dǎo)、對流和輻射造成能量的損失，為了最小的輻射損失，就得全部用真空。我們用五層真空，做成最大的‘保溫杯’，實(shí)現(xiàn)了一億攝氏度和零下269攝氏度‘冰火兩重天’的結(jié)合。”宋云濤告訴記者，要獲得更長放電時間，幾乎所有的技術(shù)都要用到當(dāng)今世界技術(shù)的極致。

事實(shí)上，與全球規(guī)模最大的能源合作項(xiàng)目——國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃(ITER)相比，EAST只有其1/4大小。但麻雀雖小，五臟俱全，EAST的成功經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)支撐了ITER的建設(shè)。如研制出可通過90千安電流的高溫超導(dǎo)電流引線，使ITER制冷電耗每年減少2/3以上；證明ITER磁體電源設(shè)計(jì)方案存在的風(fēng)險，并設(shè)計(jì)出新方案。

“目前，中國在ITER七方采購包進(jìn)度中已成為第一位。在核聚變領(lǐng)域，中國人再也不是可有可無的‘小角色’。”宋云濤自豪地說。

在基礎(chǔ)科研創(chuàng)新的同時，EAST也帶動著我國核聚變相關(guān)高科技加工業(yè)的發(fā)展。

加工的難度在于材料。要控制上億攝氏度的等離子體，第一層屏蔽層重量就達(dá)8000噸。在等離子體所超導(dǎo)導(dǎo)體生產(chǎn)大廳中，宋云濤指著堆疊了兩人多高的環(huán)形導(dǎo)體告訴記者：“這些導(dǎo)體每一根價值都在3000萬元人民幣以上。”這些外表看起來再普通不過的導(dǎo)管，卻內(nèi)藏乾坤：每根線管里都是1000根頭發(fā)絲一樣細(xì)的導(dǎo)線擰成的超導(dǎo)電纜。

這些超導(dǎo)線可謂EAST和ITER的“生命線”。因?yàn)榈厍蛏显倌蜔岬牟牧弦矔缓诵膮^(qū)1億攝氏度的聚變反應(yīng)燒化，而要讓反應(yīng)產(chǎn)生的等離子體和裝置內(nèi)壁保持一定的距離，就離不開這些超導(dǎo)線。“它們每秒可以通過6萬安培的電流，產(chǎn)生10萬高斯的磁場，形成一個強(qiáng)大的‘電磁籠’，把等離子體懸浮起來。”宋云濤解釋說。

然而，在EAST建立之前，這項(xiàng)技術(shù)尚未誕生。“之前我國的超導(dǎo)線總共加起來才有26公斤，而現(xiàn)在除了供給ITER每年所需的150噸預(yù)定以外，產(chǎn)量還綽綽有余。”宋云濤說。

ITER很多部件都代表著高附加值，是國際競爭的熱點(diǎn)。“這個線圈重396噸，比EAST所有的線圈加起來還大。我們的價格比日本的還高100萬元人民幣， 我們是以技術(shù)和質(zhì)量取勝。中國人‘賣白菜’的歷史一定會盡快地結(jié)束！”宋云濤說。

未來幾年或啟動聚變工程試驗(yàn)堆

熱核聚變在過去50年中發(fā)展非常之快。世界上第一個真正意義上的“人造太陽”，是國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER，要在20年左右能夠在大規(guī)模的、幾十萬千瓦的基礎(chǔ)上運(yùn)行較長的時間，就需要驗(yàn)證聚變的工程可行性，而東方超環(huán)正是為此進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)其可行性。

讓5000萬攝氏度等離子體持續(xù)100.12秒，這是目前EAST取得的成績，也是當(dāng)前國際核聚變反應(yīng)最好的成績。EAST差不多16—17個月左右的時間，綜合參數(shù)能夠翻一倍。“EAST必將對ITER及下一代聚變裝置作出更多世界級的、獨(dú)一無二的貢獻(xiàn)。”

核聚變到底什么時候才能實(shí)現(xiàn)？未來中國的核聚變到底怎么做？面對上述問題，宋云濤表示，我國現(xiàn)在正在做的EAST實(shí)驗(yàn)裝置，加入了ITER國際合作，有望再過幾年后建造中國自己的工程堆，才能夠演示發(fā)電。

我國下一代核聚變裝置——中國聚變工程試驗(yàn)堆(CFETR)已于2011年開始進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。在過去的幾年里，項(xiàng)目集中了我國磁約束聚變研究的骨干力量，形成目標(biāo)明確的國家隊(duì)，在吸收消化ITER和國際磁約束聚變堆設(shè)計(jì)和技術(shù)的基礎(chǔ)上，大膽創(chuàng)新，完成的CFETR設(shè)計(jì)方案可與ITER相銜接和補(bǔ)充。同時，該項(xiàng)目推動了廣泛國際合作，世界聚變研究發(fā)達(dá)國家美國、德國、法國、意大利等已經(jīng)全面參與CFETR的設(shè)計(jì)；俄羅斯同行也表示未來更加深入?yún)⑴cCFETR計(jì)劃。

目前，CFETR裝置已經(jīng)完成設(shè)計(jì)研究并開始了工程化設(shè)計(jì)，有望在未來幾年啟動。宋云濤滿懷信心地說，“有了它以后，有望在50年到60年之后實(shí)現(xiàn)商用化”。本報記者 吳長鋒