中国新一代“人造太阳”首次放电,迈向实际应用还有多远?

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2020 年 12 月 4 日 14 时 02 分,被称为 “人造太阳” 的核聚变装置 —— 中国环流器二号 M 装置(HL-2M)在成都启动并实现首次放电,这标志着中国自主掌握了大型先进托卡马克装置的设计、建造和运行技术,核电研究能力再次取得重大进步。

HL-2M 托卡马克反应堆是目前中国最大、最先进的磁约束核聚变实验研究装置,该项目于 2009 年由国家原子能机构批复立项,由中国核工业集团西南物理研究院(SWIP)自主设计建造,科学家们希望该设备释放强大的清洁能源,它使用强大的磁场来约束等离子体发生核聚变反应,最高核心温度可以达到 1.5 亿摄氏度,约是太阳核心温度的十倍。

图|中国环流器二号 M 装置(来源:新华社)

核聚变能量有许多潜在的吸引力。首先,它的燃料氢的同位素是相对丰富的,必要的同位素燃料之一:氘,可从海水中提取,一公升海水里提取出的氘,在完全的聚变反应中可释放相当于燃烧 300 公升汽油的能量;而另一种同位素燃料:氚,可通过中子与锂反应生成,在地壳和海水中,锂都大量存在。此外,相对于传统的核反应堆所产生的污染物,核聚变产生的核废料半衰期极短(低管理成本、核泄漏时总危害较低、最多只有一公里内需要撤退)、安全性也更高(不维持对核的约束便会停止反应)。

在太阳内部就是通过原子核的核聚变产生能量,把氢原子聚变成氦原子,约以每秒钟 6.2 亿吨氢的核聚变发光发热,这也是受控核聚变装置被形象地称为 “人造太阳” 的原因。

关于核聚变的原理并不神秘,1920 年就被科学家提出。1940 年代,用于军事目的核聚变开始被研究,1950 年代以后,人类转向探索用核聚变创造能量。根据质能方程 E=mc,原子核中蕴藏巨大的能量,原子核之净质量变化(反应物与生成物之质量差)可造成能量的释放。

如果是由重的原子核变化为轻的原子核,称为核裂变,如原子弹爆炸;如果是由较轻的原子核变化为较重的原子核,称为核聚变,例如氢弹。

其原理看似简单,但要让核聚变做到精准 “可控”,让能量持续稳定输出难于上青天,因为用来发电不能像氢弹那样一下子释放完全部能量。

一般条件下氘核与氚核的混合态不会产生持续的核聚变,核子必须靠外部能量聚合在一起,就算在温度极高、密度极大的太阳中心,平均每个质子要等待数十亿年才能参与一次聚变。且由于原子核带正电,彼此间会互相排斥,所以很难使其彼此互相接近,若要克服其相斥的力量,就必须适当地控制等离子体的温度、密度和封闭时间,此三项条件缺一不可。

图|核聚变装置内部构造(来源:PHYS)

由于等离子体很快就会飞散开来,所以必须先将其封闭。太阳内部是利用巨大重力使等离子体封闭,而在地球上,则必须采取别的方法,等离子体只有被加热到了 1 亿度以上才可能实现可控核聚变,在地球上,没有任何材料可以把 1 亿度高温的等离子体给包裹起来,而强磁场便是科学家发明的其中一种方式。

当等离子体带电时,电荷被卷在磁力线上,因此只要制造出磁场,就能够将等离子体封闭,使它们悬浮在真空中,利用磁场,拘束住高热等离子体中的带电粒子,使它们进行螺线运动,进一步加热等离子体,直到产生核聚变反应。

目前,在建的世界上最大的实验性托卡马克反应堆为法国南部的国际热核聚变实验反应堆(ITER),建设开始于 2007 年,该项目同时由欧盟、印度、日本、中国、俄罗斯、韩国和美国等七个成员国进行资助和运行,欧盟作为 ITER 设施主办方,贡献的费用有 45%左右,中国则承担了 ITER 装置近 10% 的采购包,该设施的目标就是推动等离子体前沿物理实验研究,让核聚变发电技术大规模应用由期待变成现实。

根据国际热核实验堆的设计,ITER 是要实现从 50MW 的输入功率上生产出约 500MW 的聚变功率,长脉冲持续时间为 400~600 秒,通过在其约 840 立方米的反应室聚变约 0.5g 氘 / 氚混合物。

专家估计它将在 2025 年 12 月进行第一阶段测试,若实验成功,将协助第一批核聚变发电厂在 2040 年前投入运行,ITER 最初预计将耗资约 100 亿欧元,但随着原材料价格的上涨和设计的改进,目前投入已超过 160 亿欧元,总成本预估将达 200 亿欧元左右。

图|核聚变反应堆设计图(来源:维基百科)

和平利用核聚变对于每个能源消耗大国来说都是一项重大战略项目。自上世纪 70 年代以来,中国科学家们也一直在研究开发较小版本的核聚变反应堆,集中选择托克马克设施为主要科研方向。

在中国环流器二号 M 装置(HL-2M)之前,先后建成并运行了小型 CT-6(中科院物理所)、KT-5(中国科技大学)、HT-6B(中科院等离子体所)、HL-1(SWIP)、HT-6M(中科院等离子体所)及中型 HL-1M(SWIP)等项目。

未来十年,重点会在 EAST 和 HL-2M 两个主力装置上开展高水平的实验研究。

图|中国磁约束聚变发展路线图(来源:中国工程院院刊)

其中,中国科学院等离子体物理研究所的先进实验超导托卡马克实验装置(HT-7U)也被称为 “东方超环”,项目后来更名为 EAST。2006 年 9 月 28 日,该装置首次成功放电,2017 年 7 月 3 日,实现了稳定的 101.2 秒稳态长脉冲高约束等离子体运行,成为了世界上第一个实现稳态高约束模式运行持续时间达到百秒量级的托卡马克核聚变实验装置。

2018 年 11 月 12 日,EAST 首次实现加热功率超过 10 兆瓦,等离子体储能增加到 300 千焦,等离子体中心电子温度首次达到 1 亿度,获得的多项实验参数接近未来聚变堆稳态运行模式所需要的物理条件。

而 HL-2M 的建成,能利用独特的先进偏滤器位型,开展高功率条件下的边界等离子体物理实验,特别是探索未来示范堆高功率、 高热负荷、强等离子体与材料相互作用条件下,粒子、热流、氦灰的有效排除方法和手段,与 EAST 装置形成互补,将使我国堆芯级等离子体物理研究及相关关键技术达到国际先进水平,也能快速吸收消化国际热核聚变实验堆带来的前沿技术探索。

在科幻电影中,无论是流浪地球中行星发动机,还是钢铁侠胸口的方舟反应炉,亦或是星际迷航中的曲速引擎,都让人们对于强大能量、能源的充满想象,而可控核聚变技术则是科学家眼中的能量圣杯,且有望在不久的将来照进现实。

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人造太阳首次放电

中国新一代人造太阳首次放电

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