全球最大“人造太阳”核心安装开启

来源:电子信息产业网
近日,我国传来好消息:由中核集团牵头的中法联合体为“人造太阳”核心设备安装工作全面开展创造了有利条件。这是中国向核能高端市场迈出的实质性步伐,将为我国深度参与聚变国际合作、自主设计建造未来中国聚变堆奠定坚实基础。

  可控核聚变装置俗称“人造太阳”,是照亮人类未来的终极能源梦想。近日,我国传来好消息:由中核集团牵头的中法联合体为“人造太阳”核心设备安装工作全面开展创造了有利条件——这是中国向核能高端市场迈出的实质性步伐,将为我国深度参与聚变国际合作、自主设计建造未来中国聚变堆奠定坚实基础。

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  近日,位于法国的世界上最大的核聚变反应堆——国际热核聚变实验堆(ITER)项目迎来了重要里程碑时刻,施工人员开始安装反应堆托卡马克的首个主要部件。此前,由中核集团牵头的中法联合体按期开展了相关安装底座——杜瓦底座的接收及吊装准备工作,为核心设备安装工作全面开展创造了有利条件。这是中国向核能高端市场迈出的实质性步伐,将为我国深度参与聚变国际合作、自主设计建造未来中国聚变堆奠定坚实基础。

  从“靠太阳”到“造太阳”

  可控核聚变装置俗称“人造太阳”,是全球核聚变人一代代接力奔跑,致力于照亮人类未来的终极能源梦想。伴随全球人口增长与经济发展,能源需求将持续增长。然而,地球化石燃料的储量有限,寻找未来能源成为当务之急。

  万物生长靠太阳,无论是传统的化石能源,还是风能、生物能等新型能源,其本质都是太阳能。而太阳的能量,科学家们早已探明究竟:来自其内部的核聚变反应。

  那么,我们是否可以模拟太阳产生能量的原理,研发可控核聚变技术,从而制造“太阳”呢?

  专家的回答是肯定的:不仅可以,而且是必须。

  “可控核聚变是目前人类认识到的,可以最终解决人类社会能源与环境问题、推动人类社会可持续发展的重要途径之一。”中核集团核工业西南物理研究院院长段旭如表示。

  从必要性来说,化石能源不可再生且有污染,风能、水能不稳定,核裂变能原料有限、核废料有放射性污染,因此,需要寻找资源丰富、清洁高效的新能源——目前,最有可能担当这一角色的只有可控核聚变能。而且,可控核聚变不排放有害气体,有利于解决当前的环境污染问题。

  从可行性来说,核聚变的原料是氢的同位素(氘和氚),地球上含量极为丰富。“氘在海水中储量极大,1公升海水里提取出的氘,在完全聚变反应后,可释放相当于燃烧300公升汽油的能量。”段旭如说。

  一字之差的困难

  从核裂变到核聚变,从不可控到可控——仅一字之差,但技术难度差别太大了。“世界上首颗原子弹爆炸后不到10年,核裂变技术就实现了和平利用,建成了核电站。”中核集团核工业西南物理研究院特聘研究员钟武律说,因此,许多人曾乐观地认为,用不了多久就能实现核聚变的和平利用——然而,经过全世界科学家超过半个世纪的努力,至今仍未成功。

  钟武律做了一个简单比较。太阳能稳定核聚变,是因其内部不仅有1500万摄氏度以上的高温,且约有3000亿个大气压的超高气压。而地球上无法达到如此高的气压,只能在高温上下功夫了,需要把温度提高到上亿摄氏度才行。“先不说如何产生这么高的温度,就算产生了,也找不到容器‘盛放’它。”钟武律说,地球上最耐高温的金属材料钨在3000多摄氏度就会熔化。

  不过,人类不会被困难吓倒。20世纪50年代开始,科学家们就经历了一系列磁约束技术路线的探索,到上世纪60年代,前苏联科学家提出托卡马克方案,效果惊人,备受关注。托卡马克,简单来说是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器。它的中央是一个环形真空,外面围绕着线圈。通电时,其内部会产生巨大螺旋形磁场,将其中的等离子体加热到很高温度,以达到核聚变目的。

  “核聚变能是清洁安全的,但仍需科学普及。”段旭如表示,就聚变堆而言,燃烧等离子体被约束在真空室内,且所含聚变堆中的氘氚燃料含量低,不会爆炸,也不会导致泄漏,几乎没有放射性污染。

  勇担重任的中国核电人

  我国可控聚变研究始自上世纪50年代,几乎与国际上聚变研究同步。

  1965年,根据建设需要,我国建立了当时国内最大的聚变研究基地——西南物理研究所,也就是中核集团核工业西南物理研究院的前身。

  正是在这里,中国核聚变领域第一座大科学装置——中国环流器一号(HL-1)托卡马克装置于1984年建成,成为我国核聚变研究史上的一个重要里程碑。它的成功建造与运行为我国自主设计、建造、运行核聚变实验研究装置积累了丰富经验,培养了我国第一批核聚变工程技术及实验运行人才队伍,为我国发展更高参数的磁约束聚变大科学装置奠定了坚实基础。

  从此,中国磁约束聚变一步步从无到有,从小到大。1995年,中国第一个超导托卡马克装置HT-7在合肥建成;2002年中国建成第一个具有偏滤器位形的托卡马克装置中国环流器二号A(HL-2A);2006年,世界上第一个全超导托卡马克装置东方超环(EAST)首次等离子体放电成功……

  预计今年在四川成都投入运行的“中国环流器二号M”装置,将成为我国规模最大、参数最高的磁约束可控核聚变实验研究装置。它可将我国现有装置的最高等离子体电流从1兆安培提高到3兆安培,离子温度也将达到1亿摄氏度以上。

  人类的共同目标

  正如太阳造福于整个地球,“人造太阳”的研制,将为人类带来巨大福祉。但其技术挑战大,研发困难重重,因此需集全球之力共同来攻克。

  基于此,国际热核聚变实验堆(ITER)计划2006年应运而生,由中国、美国、欧盟、俄罗斯、日本、韩国和印度7方参与,计划在法国普罗旺斯地区共同建造一个电站规模的聚变反应堆,也即世界上最大的托卡马克装置。ITER是目前全球规模最大、影响最深远的国际科技合作项目之一,凝聚了国际聚变界多年来的研究成果以及国际聚变界的技术力量。

  “该项目也是中国以平等身份参加的最大国际科技合作项目。其中,中国承担了约9%的采购包研发任务。”段旭如表示:“签署这个计划,正是希望集中全球科技力量,共同攻克难题。”

  “这些年来,我国磁约束聚变研究进展得益于参加ITER计划。”段旭如说,利用这一良好国际合作平台,在国家有关部委的大力支持下,我国核聚变研究实现了高质量发展,磁约束核聚变研究从过去的跟跑步入了并跑阶段,部分技术达到了国际领先水平。

  中国的积极参与也推动了ITER计划的快速发展。钟武律表示,参加ITER计划以来,中国积极参与建设,承担着诸多核心部件研发制造(采购包)任务。“目前,中国承担的ITER采购包,不管是在研发进度还是在完成质量方面,均处于7方的前列,为ITER建设贡献了中国力量与智慧。在国际聚变舞台上,中国有了更大的话语权。”

  除了承担中方承诺的任务外,中方还积极争取ITER其他关键任务。去年9月,中核集团牵头拿下了ITER迄今金额最大的主机总装1号合同。这个工程安装的是ITER装置最重要的核心设备,其重要性相当于核电站的反应堆、人体里的心脏。这是有史以来中国企业在欧洲市场中标的最大核能工程项目合同。

  “通过国际竞标拿到了ITER项目最核心部分的安装工程,证明我们的团队在世界上是领先的。”中核集团董事长余剑锋表示。

  “从ITER计划的进展以及国际核聚变发展进程看,我们有信心到本世纪中叶实现可控的核聚变发电。”段旭如充满信心。

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