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新知 | 中国“人造太阳”再创佳绩 可控核聚变为何被称为“终极能源”
2022/02/08 22:06  新华报业网  张宣  

  交汇点讯 可控核聚变技术是被全人类寄予厚望的未来能源方式,它利用的是太阳燃烧的原理来释放热量,因此这类的实验装置常被称作“人造太阳”。

  日前,我国有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)又创造了一个世界之最——实现了在7000万℃的高温下,长达1056秒的长脉冲高参数等离子体运行。“人造太阳”在如此高的温度下燃烧意味着什么?可控核聚变要实现了吗?人类举例解决能源危机还有多远?《科技周刊》记者特邀能源领域专家进行解读。

  可控核聚变能爆发出怎么样的力量?

  在自然界中,太阳是典型的核聚变,太阳源源不断的发出光与热,很早以前人类就开始探索“人造太阳”,希望解决地球上的能源问题。“‘人造太阳’并不是真的制造出一个自然界的太阳,毕竟以人类的科技手段,还无法做到制造恒星。作为太阳系的中心,太阳之所以能够持续性地发光发热,跟其内部不断进行核聚变反应存在直接关系,而人类就利用这一原理,利用可控核聚变技术设计并且制造出了超导托卡马克装置。” 西交利物浦大学化学系丁理峰博士科普,中国“人造太阳“的突破是可控核聚变的探索,进一步向世界证明了核聚变能源的可行性。

  “核能包含裂变能和聚变能两种主要形式,目前受控核裂变技术的发展已使裂变能的应用取得了商用化。” 丁理峰解释说,现在的核电站可以称为基于可控核裂变反应的核电站。所谓核裂变就是通过中子轰击把大质量的原子分裂成小质量的原子和新的中子,产生大量的能量,这样的反应称为链式反应。”原子弹的原理就是通过不可控核裂变反应,让能量是在瞬间释放出来。而人类现在已经掌握了可控核裂变的技术可以让核裂反应的能量缓慢、可控地释放出来。

  但可控核裂变和可控核聚变是完全不同的两回事。丁理峰解释,核聚变是有两个质量较小的氢原子同位素氘和氚原子进行核聚合反应产生氦原子和大量的能量。这样的反应在太阳上已经持续了46亿年。“我们知道,太阳内部无时无刻不在发生着核聚变,为大自然带来光和热。而太阳的光和热来源于氢的两个‘同胞兄弟’——氘和氚在聚变成一个氦原子过程中释放出的能量。可控核聚变的终极目标,就是让海水中大量存在的氘在高温条件下像太阳一样发生核聚变,为人类提供源源不断的清洁能源。”

  “因为核聚变反应释放的能量比核裂变要更大,所以核聚变更难控制。但相对于核裂变而言,核聚变反应不会产生长期且高水平的核辐射,不产生核废料,而且反应产物是无放射性污染的氦。” 丁理峰告诉记者,由于核聚变需要极高温度,一旦某一环节出现问题,燃料温度下降,聚变反应就会自动中止。核聚变的原料极为丰富,其中氘在海水中储量极为丰富。未来可控核聚变有朝一日能够实现的话,将会为人类提供接近无限的能源。

  “人造太阳“的7000万℃和1056秒意味着什么?

  尽管可控核聚变技术和托卡马克装置最早起源于国外,但中国已经实现了后来者居上,处于国际领先地位。

  2016年2月,合肥全超导托卡马克物理实验就实现了电子温度达到5000万℃持续时间最长的等离子体放电;2021年5月28日,全超导托卡马克核聚变实验装置创造了可重复的1.2亿℃的高温,并且持续了101秒,同时还实现了1.6亿℃持续20秒的运行。2021年12月30日,全超导托卡马克核聚变实验装置又实现了7000万℃高温下1056秒的长脉冲高参数等离子体运行,打破了自己保持的世界纪录,标志着我国在可控核聚变研究上处于世界领先水平。

  “全超导托卡马克装置就是一种利用磁约束和真空绝热来实现受控核聚变的环形容器,运行原理就是在装置的真空室内加入少量氢的同位素氘或氚,再通过物理方法使其变成高密度和高温条件下的等离子体,进而发生聚变反应产生强大的能量。”合肥EAST装置实验运行总负责人龚先祖介绍,EAST装置开始建造至今已有10年,是全世界所有的已建成的中大型托卡马克装置。超导托卡马克已被科学界公认为是探索、解决未来稳态聚变反应堆工程及物理问题的最有效的途径。他强调,EAST装置是一个大科学装置,是我国自主设计、自主建造的核聚变实验装置。EAST装置犹如锅炉状的巨大环形装置,其主机高11米、直径8米、重达400吨。

  “2021年12月30日的千秒量级等离子体运行再次挑战了世界托卡马克纪录,我们全面验证了未来聚变发电的等离子体控制技术,推动其从基础研究向工程应用迈进了一大步。”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接受媒体公开采访时表示。

  “核聚变能源具有资源丰富、无碳排放和清洁安全等突出优点,是人类未来最主要的清洁能源之一,可为实现碳达峰碳中和作出重大贡献。”宋云涛说,EAST大科学团队将在未来聚变堆类似条件下向高参数稳态高约束等离子体运行等科学目标发起冲击。依托EAST装置,我国科研人员还参加了目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一——国际热核聚变实验堆计划(ITER)。据悉,ITER是全球最大的实验性托卡马克核聚变反应堆装置。此外,丁理峰还透露,我国还有在建的中国聚变工程实验堆 (CEFTR),预计将在2050年建设成为可控核聚变商业示范堆。

  可控核聚变之路道阻且长,已衍生创新成果

  虽然可控核聚变技术潜力巨大并衍生出很多创新成果,但距离应用还有很长的路要走。

  “可控核聚变概念首次提出来是在1958年瑞士日内瓦召开的第二次联合国和平利用原子能会议上提出,可控核聚变之所以发展如此缓慢是因为需要攻克的技术和工程难题众多。其中包括等离子体反应的约束,原料的提供,效率的提高以及成本的控制等。” 丁理峰解释。

  “目前实现可控核聚变商业化还需要突破许多难关。其中最大的难题是如何控制和约束核聚变反应。” 丁理峰说,产生核聚变的需要上千万度的高温来实现,世界上没有任何化学物质能够承受这样的高温。所以通常有三种物理方式要约束核聚变反应:重力场约束,磁力场约束和惯性约束。太阳上的核聚变就是靠太阳的强大的万有引力提供的重力场约束,这个方法我们在地球上无法实现。托卡马克就是最著名的磁力场约束核聚变的方法。目前世界各国的主攻可控核聚变的方向都是磁约束的方向,也是最有希望实现可控核聚变的方向。

  多年科研生涯中,丁理峰和同事们在着手解决可控核聚变的另外一个问题:燃料问题。虽然自然界中存在着大量的氢的同位素-氘,但是氘在海水中的含量非常稀释,一万多个水分子可能只有一个水分子含有氘原子。为应对这一挑战,丁理峰与利物浦大学英国皇家学院院士安德鲁·科珀教授带领的联合团队设计出一种新型材料,通过一种被称为“动态量子筛分”的过程,实现氘气体从混合气体中的有效分离。这是一种混合多孔有机笼状材料,为分离氘分子提供了一种经济有效的技术方案,它能从气体氢氘混合气体中选择氘分子并大量吸附它。

  虽然人造太阳道阻且长,但大科学装置集高精尖技术于一身,其承载的意义早已不止追求科学目标本身。《科技周刊》记者了解到,EAST装置已衍生出一系列重要创新成果,形成了超导技术、低温技术、等离子体技术、生物技术、材料技术、机器人技术等多个产业技术板块,推动一大批高新技术成果实现转移转化。比如依托EAST装置技术优势研发的超导回旋质子治疗系统成为一种新型肿瘤治疗方式,其设备的核心部件——超导回旋加速器,依托的正是EAST提供的超导技术,具有体积小、能耗低、易维护等优势。

  “发展可控核聚变技术意义深远。”丁理峰表示,人类最大的困扰其实归根结底是能源问题。未来,如果可控核聚变真的实现了,所带来的接近无限的清洁能源将会彻底解决能源问题。温室效应导致的全球变暖将会成为历史。廉价的能源也会加快经济建设和工业生产,同时也会帮助改善环境的治理。可控核聚变的实现意味着人类将会进入一个新的纪元。

  新华日报·交汇点记者 张宣

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