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中国科学家创造新纪录,“人造太阳” 要来了!

2018-01-16 09:47??????点击:

2017年08月28日??来源:人民网

在哈萨克斯坦阿斯塔纳专项世博会中国馆展出的“人造太阳”核聚变多媒体装置。(图片来源:新华社)

近日,中国科学家又创造了一个“世界纪录”。未来,我们传统的能源——煤、石油、天然气等,可能都要靠边站了。

7月3日22时左右,中国科学院合肥物质科学研究院等离子物理研究所传来捷报:我国的全超导托卡马克核聚变实验装置首次实现了稳定的101.2秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行。

全超导托卡马克核聚变实验装置,这个名字念起来有点拗口又难以理解,不过它有一个好记的名字叫“东方超环(EAST)”,也有人通俗地叫它“人造太阳”——因为它的目标是让海水中大量存在的氘和氚在高温条件下,像太阳一样发生核聚变,为人类提供源源不断的清洁能源。

在这次核聚变实验中,中国科研团队在世界上首次实现了5000万摄氏度等离子体持续放电101.2秒的高约束运行,实现了从60秒到百秒量级的跨越。

聚变优点:原料储量丰富 产物没有放射性

如今,对于新能源,如太阳能、风能、水能、潮汐能、地热能等,大家都不陌生,但一个不可否认的事实是,这些新能源从根本上来说,只是一种辅助能源,还无法取代煤、石油、天然气等化石燃料的地位。

从20世纪50年代开始,核电登上世界能源舞台,并展示出巨大的威力——只要燃烧极少的燃料就可获得巨大的能量。不过,核电站是以原子核的裂变反应为基础,产生的放射性废物处理起来也比较困难,而且主要核燃料铀的储量相对来说并不丰富,开采和提炼也十分困难;而核裂变反应的原料之一——钚,在自然界中甚至无法找到,需要人工合成。此外,核电在人类发展史上发生的一些大事故,比如切尔诺贝利事故和福岛核电站核泄漏事故,让人们对核电站仍心有余悸。所以,虽然以核裂变为原理的原子能在技术上已无太多障碍,但在全球能源体系内,核裂变在“能源宫斗”中,迟迟无法上位。

相对核电的核裂变来说,人造太阳的核聚变是否也会有核辐射的隐患呢?

答案是聚变的产物没有放射性。同时,由于聚变反应需要的条件比较高,一旦发生事故,造成反应的等离子体约束破裂,聚变反应便会终止。因此聚变燃料的保存运输、聚变电站的运行都比较安全。

与核裂变比起来,核聚变还有一个天然的巨大优势,它的原料储量极其丰富。其主要燃料是存在于地球海水之中的氘(氢的同位素),而另一种原料氚(同样是氢的同位素),可用中子轰击锂的方法制备;而科学家预想的聚变燃料之一“氦-3”,在月球上也有丰沛储量。

关键装置全超导托卡马克:能约束上亿摄氏度高温等离子体

核聚变,对于很多人来说似乎都有些陌生。但早在20世纪50年代初,人类就实现了核聚变反应——氢弹爆炸。其原理简单来说,就是用一个裂变反应(即原子弹)作雷管,通过原子弹爆炸制造出高温高压,从而“引爆”聚变反应,但这种瞬间的猛烈爆炸人类无法控制。因此,要把核聚变时产生的巨大能量为我们所用,必须要对剧烈的聚变核反应加以控制,所以,人类要做的就是——受控核聚变。

科学家想到的一种方法是,用粒子加速器来提高原子核速度,让其碰撞。实验证实,这种方法可以发生聚变反应,但是反应释放出的能量远小于加速原子核所消耗的能量,显然,此种方法只能做科学实验,无法提供能源。

另一种方法是提高核燃料的温度,物质温度越高,意味着其微观粒子的无规则速度越大。科学家发现,聚变反应需要的高温可达上亿摄氏度。那么,问题就来了,上亿摄氏度的高温,什么样的“炉子”才能承受呢?

其实,在这个温度上,物质都处于等离子体态,也就是说,物质的原子核和核外电子是分离的,电子不再受某一特定的原子核束缚成为自由电子,而原子失去电子也成为带正电的离子。换言之,等离子体中的粒子“带电”了。

科学家就此想到了磁场,因为带电粒子在磁场中会绕磁力线做回旋运动,可以利用通过在容器内建立磁场来约束等离子体,使其不与容器壁直接接触。于是,科学家在螺线管中,让带电粒子沿封闭的磁力线做螺旋式运动,上亿度高温的等离子体就乖乖地被约束在这种环形的磁场中了。这种环形的磁场又叫“磁瓶”或“磁笼”,可把炽热的等离子体“托举”在空中。所以说,“东方超环”这次5000万摄氏度高温的表现,其实还有很大的成长空间。

对于这一过程,中国科学院等离子体物理研究所研究员、中国工程院院士李建刚是如此表述的——“磁约束聚变利用强磁场这一’磁容器’来约束高温等离子体,并进而将其加热至上亿度,从而维持连续的热核反应,产生巨大能量。”

而这也就是“东方超环”——“托卡马克”装置的原理:该词转写自俄语单词Tokamak,是来源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、线圈(kotushka)的生造词。

■链接

EAST“世界纪录”

高约束放电时间从60秒量级突破百秒量级

EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)本意为“先进实验超导托卡马克”,也具有“东方”的含意。EAST高11米、直径4米、重达400吨,为我国第四代核聚变实验装置。

7月3日晚,EAST首次实现了5000万摄氏度等离子体持续放电101.2秒的高约束运行,实现了从60秒到百秒量级的跨越。

从60秒到跨越百秒,这个量级的变化意味着什么呢?

李建刚介绍,我国核聚变能研究始于上世纪60年代初,EAST超导托卡马克装置于2006年初成功进行了工程调试,并于2006年成功开展了两次物理实验, 获得了拉长截面偏滤器等离子体。

EAST实验也先后创下多项托卡马克运行的世界纪录:2012年实现30秒高约束等离子体放电;2016年获得60秒的完全非感应电流驱动(稳态)高约束模等离子体。

“稳态高约束运行模式”是国际热核聚变实验堆计划的基本运行模式,也是未来反应堆需要解决的关键科学问题。作为国际重要的长脉冲核聚变实验平台,EAST超导托卡马克高约束放电时间实现百秒量级的突破,将为我国下一代核聚变装置的建设和国际核聚变清洁能源的开发利用奠定坚实基础。

“未来商用堆必须是全超导,才能实现稳态运行。”李建刚指出,全超导托卡马克可实现稳态运行,并通过在稳态运行条件下大大改善约束,为未来稳态、先进聚变反应堆奠定工程技术和物理基础。(记者 王诗堃 策划统筹:李江萍)

(责编:刘若馨(实习生)、张希)