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中國“人造太陽”工程啟動安裝

還記得年初引爆話題的中國科幻電影《流浪地球》嗎? 電影中人類為了逃離太陽的衰老的危機,在地球上建立了眾多的如山一樣高的核聚變發動機,這些黑科技能制造巨大的能源動力,從而驅使地球離開太陽系。核聚變發動機也給很多人留下了深刻的印象,但實際上它并非只是科幻產物,而是真的要出現在現實中了。

日前,國環流器二號M總體安裝工作在中核集團核工業西南物理研究院啟動,裝置的主機線圈系統完成交付,環流器二號M裝置工程正式拉開序幕。環流器二號M裝置是我國最大的超導托卡馬克裝置,即是通過核聚變釋放能量,使其成為新的能源的裝備,核聚變產生能量的原理與太陽發光發熱相似,因此在地球上以探索清潔能源為目的的可控核聚變研究裝置,又被稱為“人造太陽”。

我國“人造太陽”工程全面啟動安裝

6月5日,伴隨著主機線圈系統的交付,位于四川成都的我國新一代可控核聚變研究裝置“中國環流器二號M”的全面工程安裝拉開序幕。

“中國環流器二號M”是我國新一代的可控核聚變研究裝置,由中核集團核工業西南物理研究院承建,是開展聚變堆核心技術研究的關鍵平臺。

6月5日下午,在“中國環流器二號M”裝置的建設現場,由東方電氣集團東方電機有限公司制造的該裝置主機線圈系統正式交付,這也標志著“中國環流器二號M”裝置的全面工程安裝拉開了序幕,安裝工作由華西集團四川省工業設備安裝公司承接。

據介紹,主機線圈系統是該裝置的核心部件之一,該系統中心柱的研制是最具挑戰性的任務之一,其由20組環向場線圈中心段組件和中心螺旋管線圈裝配而成,總體重量約90噸。該中心柱制造難度大,工藝精度要求極高,在高沖擊載荷條件下其運行壽命要求不低于10萬次。

 “人造太陽”及氘氚核聚變反應模式想象圖。/據美國宇航局NASA

核工業西南物理研究院院長劉永說:“與國內同類裝置相比,‘中國環流器二號M’裝置采用了更先進的結構與控制方式,等離子體溫度將有望超過2億攝氏度,該裝置將為我國參與國際熱核聚變實驗堆相關實驗與運行以及未來自主設計建造聚變堆提供重要技術支撐。”

中國智慧點亮世界最大“人造太陽”

受控核聚變研究一旦成功,受益的無疑是整個人類社會。因此,它需要世界各國共同推動、共同研究。正是基于這樣的理念,“國際熱核聚變實驗堆計劃(ITER)”誕生了。

ITER 是規模僅次于國際空間站的一項重大的多邊大科學國際合作計劃,旨在建立世界上第一個受控熱核聚變實驗堆。成立于2007年的ITER組織,由歐盟、中國、美國、俄羅斯、韓國、日本和印度參與。

“ITER是世界上在建的最大、最復雜的托卡馬克裝置,也是技術最先進的‘人造太陽’。它的體積接近天壇祈年殿的尺寸,高30米,直徑28米,重達1萬噸。”劉永介紹。

在七方共同努力播種“太陽”的進程中,中國的表現十分突出。

據劉永介紹,自2010年12月以來,他們聯合國內多家企業組成的團隊,先后完成了從材料到制造工藝的系列認證,以及ITER磁體支撐采購包的生產制造任務,取得多項關鍵技術的重大突破,最終獲得ITER國際組織的認可,為和平利用核能和人類可持續發展貢獻了中國智慧和中國方案。

ITER組織總部位于法國南部的圣保羅-萊迪朗斯小鎮,數千名來自不同國家的科學家、工程師和管理人員在這里埋頭“筑夢”,當然也少不了中國科研人員的身影。

曾在ITER法國總部工作了近10年、最近剛回國的核工業西南物理研究院聚變科學所副總工程師周才品認為,中國在國際合作過程中,提升了科技創新能力、高端制造水平、國際項目管理能力和專業技術人才培養能力,為中國聚變堆建設提供強有力的技術及人才儲備。

“通過參與ITER計劃,中國在可控熱核聚變領域的整體水平有了很大提升,部分技術已達到國際領先水平。”周才品說。

目前,中國已交付了組建國際熱核聚變實驗堆所需的饋線、磁體支撐等多種重要部件,有利于相關實驗如期順利開展。

ITER組織總干事貝爾納·比戈此前曾多次表示,中國是這一世界最大“人造太陽”項目非常好的合作伙伴,中國交付相關產品按時保質,堪稱合作各方的榜樣。

“人造太陽”成人類理想的終極能源

能源危機被認為是人類社會發展面臨的最大難題。地球上的煤炭、天然氣、石油等化石能源終將枯竭,人類未來的命運聚焦在尋找更加持久的清潔能源上。

100多年前,愛因斯坦提出了著名的質能轉換公式E=mc2,揭開了核能的面紗。

 科研人員在主機線圈系統裝置內部檢查。

當前,核電站利用的核能都是核裂變——由較重的原子核(例如鈾)裂變成較輕的原子核,從中釋放出能量。然而,鈾礦的儲量有限,長遠看難以滿足人類的需求。

核聚變的過程正相反,而且單位質量下釋放的能量比裂變高得多。太陽的光和熱,就來源于氫的同位素氘和氚在聚變成氦原子過程中釋放出的能量。

“與核裂變相比,核聚變的安全性高,廢料處理成本低,原料更易獲得。”劉永告訴記者,氘在海水中儲量極為豐富,氘氚反應產物沒有放射性,核聚變反應堆不會產生污染環境的硫、氮氧化物及溫室氣體。

有計算表明,從一升海水中提取出的氘,在完全的聚變反應中可釋放相當于燃燒300升汽油的能量。海洋中蘊藏了約40萬億噸氘,理論上用于聚變反應釋放的能量足夠人類使用上百億年,幾乎無窮無盡。

這意味著,如果受控核聚變(“人造太陽”)能大規模實現,將從根本上解決人類的能源危機。聚變能源,就是人類夢寐以求的安全經濟高效持久能源。

延伸閱讀

我國已制定核能“三步走”發展戰略

我國在上世紀50年代就開始了對核聚變的研究。隨后在1965年,核西物院在四川建立,成為了我國最早的聚變研究專業院所,并先后建立了角向箍縮、仿星器、磁鏡、反場箍縮等不同類型的裝置。

上世紀70年代末到80年代初,我國開始對托卡馬克型裝置上進行了重點研究。1984年,在核西物院建成的中國環流器一號(HL—1)成為我國自主設計建造的第一個聚變大科學工程裝置,榮獲國家科學技術進步一等獎,標志著我國受控核聚變研究進入大規模物理實驗階段。

而在上世紀90年代,我國也制定了熱堆、快堆、聚變堆的“三步走”核能發展戰略。可以說,為了實現發展戰略中的第三步,我國科學家們已投入半個世紀時間去探索研究。

當然,研究核聚變的事業并不是一路坦途。“核聚變技術還面臨諸多問題等待我們去解決。”在談及核聚變研究目前的瓶頸時,劉永坦言。

“2億攝氏度以上的高溫、長時間約束在有限的空間中、足夠高的密度是受控核聚變的三大條件。而在如此高的溫度下,物質已經成為等離子體,這是除固體、液體和氣體之外的第四種形態,我們對于該形態的認知還有待加強,而如何約束等離子體,也成為核聚變實驗的重中之重。另外,還有核聚變裝置的材料選擇等方面的問題,都需要我們去探索研究。”劉永表示。

我國核聚變能發展戰略規劃

20世紀90年代 我國制定了“熱堆”“快堆”“聚變堆”三步走的核能發展戰略。

2006年

國務院印發《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006~2020年)》,講磁約束核聚變列為先進能源技術。

2016年

國務院印發《“十三五”國家科技創新規劃》,將“磁約束核聚變能發展”列入了戰略性前瞻性重大科學問題,擬通過聚變堆關鍵科學技術的創新和突破,搶占世界核聚變能發展制高點。

2017年

《“十三五”核工業發展規劃》發布,規劃中明確“進一步增強磁約束核聚變技術研發能力,打造我國磁約束核聚變的核島設計研究中心”。

我國磁約束核聚變發展思考與階段目標

實驗堆:近期(2025年前)

增強核聚變技術研發能力,打造我國磁約束核聚變堆的核島設計研究中心,發展聚變堆關鍵核心技術。

工程堆:(2025~2035年)

解決聚變工程實驗堆關鍵核心技術,具備自主建設聚變工程實驗堆的能力,建設聚變工程試驗堆。

原型電站:遠期(2035年后)

完成聚變示范堆工程關鍵技術及材料實驗驗證。建設運行中國聚變示范堆。

原標題:《流浪地球》黑科技成現實?

中國“人造太陽”工程啟動安裝

資料來源|中核集團核工業西南物理研究院

文圖|綜合新華社、新華網

編輯|何欣鴻

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