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中國人造太陽再獲大突破 為何讓西方憂慮

時間:2017-07-06 10:51 來源:未知 作者:轉載

中國科學院等離子體物理研究所于北京時間7月4日宣布,中國的超導托卡馬克實驗裝置東方超環(EAST)在全球首次實現了上百秒的穩態高約束運行模式,此項跨越級突破為人類開发利用核聚變清潔能源奠定了重要的技術基礎。這也是經過多年研究,中國的科研团隊成功攻克一大批國際共性難題后,在世界上首次實現5,000万度等離子體持續放電101.2秒的高約束運行。

繼2016年末取得重大突破,時隔半年中國再次取得更具有里程碑意義的突破,實現了從60秒到百秒量級的跨越,顯示中國聚變研究的发展速度已遙遙領先其他國家。其重要性在于高約束模式是被物理學家認為的未來核聚變電站的最佳工作狀態,此次突破對于后續核聚變電站的研究具質變意義。

毫無疑問,這次的突破將為中國下一代核聚變裝置的建設,世界第一座核聚變電站——擬建的中國聚變工程試驗堆(CFETR),以及國際核聚變清潔能源的開发利用夯實基礎。


中國新一代“人造太陽”實驗裝置获重大突破(圖源:新華社)

什么是“人造太陽”

当下人類所處的時代,能源應用無所不在,但迄今為止各种能源的使用或多或少都會受到總量、時間或地域等的限制,而聚變能源的開发,將助力人類徹底解決能源需要

科學實驗告訴我們,当質量較小的原子合并成質量較大的原子時,會伴之发生質量減少和能量釋放,即核聚變反應。與核裂變不同,使原子彼此合并发生核聚變,必须讓它們的原子核接近到飛米級。而要達到此距離,則需將原子核加熱到數千万攝氏度以上,從而使其具有極大動能,以克服電荷間極大的斥力。亦因此,核聚變反應又被稱為熱核反應。

相較其他各种能源,核聚變的燃料供應充足。核聚變能利用的主要燃料氘大量存在于海水中,海水中氘的總量約45万億噸,按世界消耗的能量計算,海水中氘的聚變能可用几百億年。另一种核聚變主要燃料氚則可由鋰制造,雖說地球上鋰的儲量比氘少,但從已知儲量兩千多億噸來看,人類將其用來進行氘氚反應也夠用了。

人們熟知的太陽即可謂是一個大規模的核聚變反應堆,每天都在產生巨大的能量,其中心溫度達到1,500万攝氏度。雖然核聚變能源雖然取之不尽、用之不竭,但如何安全、可控地利用聚變能源卻是人類一直在努力仍未解決的課題。

為解決聚變控制問題,世界各地建立了多個聚變實驗裝置。美、法等國在上世紀80年代中期发起了耗資數十億歐元的國際熱核聚變實驗堆(ITER)計划,旨在建立世界上第一個受控熱核聚變實驗反應堆,為人類輸送巨大的清潔能量。這一過程與太陽產生能量的過程類似,故而受控熱核聚變實驗裝置也被俗稱為“人造太陽”。

穩態高約束運行模式是ITER計划的基本運行模式,也是未來反應堆需要解決的关鍵科學問題。ITER預計將在2025年點火,產生第一束等離子體。中國于2003年加入了該計划,并在項目中承擔10%的工作量。

中西角力“人造太陽”

中國雖然初期在ITER計划中承擔工作量較小,但隨著時間的推移在該計划中扮演的角色益发重要。2016年,由中國研制的熱核聚變堆核心部件在國際上率先通過認證。中國科研人員在國際競爭中率先摸索出讓三种材料緊密結合的創新工藝,并在權威機構進行的試驗中經受住了比設計標准高出20%的極端高溫環境考驗。業界認為,這是中國對國際熱核聚變實驗堆項目的重大貢獻。

除了參與ITER項目,中國自己也在開发研制核聚變實驗裝置,并將其命名為EAST。EAST是由中國科學家耗時8年獨立設計建造的世界首個全超導核聚變實驗裝置,于2007年通過國家驗收。其規模比ITER小,但兩者均系全超導非圓截面托卡馬克,即兩者的等離子體位形及主要的工程技術基礎相似,而EAST至少比ITER早投入實驗運行10年至15年。


中國全超導托卡馬克核聚變實驗裝置EAST(圖源:新華社)

中國“人造太陽”不斷获得突破,EAST近年來取得一系列國際領先實驗成果。中國第四代核聚變實驗裝置東方超環高11米、直徑8米、重達400噸。2016年11月,EAST成為世界首個實現穩態高約束模運行持續時間達到分钟量級的托卡馬克核聚變實驗裝置。而此次,EAST又實現百秒量級的突破,這是等離子體被控制在高約束模式下获得的最長世界紀錄。

据了解,ITER將采用射頻波主導的低動量注入運行模式以及主動水冷的鎢偏濾器結構。EAST則是目前世界上唯一具備這兩大特色的且具有長脈冲運行能力的全超導托卡馬克,其穩態運行模式將為ITER和未來核聚變反應堆提供重要參考。

作為國際重要的長脈冲核聚變實驗平台,近年來,EAST相繼完成了輔助加熱、鎢偏濾器、等離子體物理診斷等系統的升級改造,克服了加熱與電流驅動、分布參數測量等关鍵技術難題,深入研究和基本解決了射頻波耦合、高約束等離子體穩定性控制、等離子體與壁相互作用物理、低動量條件下加熱和電流驅動下輸運、雜質輸運和控制等一系列穩態運行密切相关的物理問題。

中西方在“人造太陽”方面的角力,西方明顯已處于劣勢。

西方的憂慮

2016年4月25日,中科院等離子體物理研究所為法國聚變實驗裝置WEST建造的首套離子回旋天线竣工并交付法方。這是中國首次向法國出口核聚變工程技術,同時亦是中國首次向國際輸出業界最高標准的核聚變关鍵部件。

顯然,中國的快速发展引发了其他國家的擔心。擬建的CFETR將在2030年投入運轉,最初的发電量為200兆瓦,在隨后10年发電量將提升至千兆瓦,超過大亞灣所有商業裂變反應堆的发電量。如果中國成為首個實現聚變技術商業化的國家,其經濟、地緣政治優勢將更為彰顯

近年來中國在ITER項目中的影響力顯著提高,据傳,因為擔心中國將利用從ITER获得的知識加快CFETR的建設速度,ITER項目的其他6個參與方,日本、韓國、俄羅斯、美國、印度和歐盟甚至討論要將中國踢出該國際項目組。但現實是,如果中國不再參與,受多年延遲和巨額超支嚴重困擾的ITER或將無法繼續下去。

在7個參與方中,ITER的中國籍雇員人數初期是最少的,如今已僅次于歐盟。“對其他國家來說,最好的選擇是接受甚至支持中國領導聚變研究”, 牛津大學基督聖體學院院長、前英國卡勒姆聚變中心主任史蒂文•考利(Steven Cowley)對媒體作出了如是表示。

(責任編輯:轉載)

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