 |
中國“人造太陽”核心部件示意圖 |
讓5000萬攝氏度等離子體穩(wěn)定持續(xù)燃燒100.12秒。這是中國超導(dǎo)托卡馬克實驗裝置在今年7月創(chuàng)造的新紀(jì)錄。其重大意義不僅在于實現(xiàn)了超高溫度，而且在于檢驗了對等離子體百秒級高約束運(yùn)行控制的模式。
中國超導(dǎo)托卡馬克實驗裝置（即Experimental Advanced Superconducting Tokamak，縮寫為EAST，也被稱為“東方超環(huán)”）是在真空室內(nèi)加入少量氫的同位素氘或氚，通過類似變壓器的原理使其產(chǎn)生等離子體，然后提高其密度、溫度使其發(fā)生聚變反應(yīng)，反應(yīng)過程中會產(chǎn)生巨大能量。其原理在本質(zhì)上與太陽核聚變相似，因而，“東方超環(huán)”也被譽(yù)為中國的“人造太陽”。
核聚變的燃料是氘和氚，在自然界的存量近于無限。聚變產(chǎn)生巨量能源時幾乎不會有污染物，也無放射性核廢料，是目前已知的可最終解決人類能源和環(huán)境問題的最重要的途徑之一。上世紀(jì)30年代，核聚變的原理就被提出來，但是產(chǎn)生可控核聚變需要的條件非�？量獭Ｎ覀冎�，太陽中心溫度可達(dá)1500萬攝氏度，再加上巨大的壓力，使核聚變能夠進(jìn)行。地球上，人類所能獲得的壓力條件有限，只能通過將溫度提高至上億度來彌補(bǔ)。而如此高的溫度沒有任何一種固體物質(zhì)能承受，只能靠強(qiáng)大的磁場來約束，由此產(chǎn)生了磁約束核聚變。而產(chǎn)生強(qiáng)大磁場，進(jìn)行磁約束核聚變的反應(yīng)設(shè)備就是托卡馬克裝置（Tokamak）。其中央是一個環(huán)形的真空室，外面纏繞著線圈。在通電的時候，托卡馬克裝置的內(nèi)部會產(chǎn)生巨大的螺旋型磁場，將其中的等離子體加熱到很高的溫度，以達(dá)到核聚變的目的。第一代托卡馬克裝置由蘇聯(lián)科學(xué)家阿齊莫維齊等人在20世紀(jì)50年代發(fā)明。
上世紀(jì)90年代初，中國引入了蘇聯(lián)的托卡馬克裝置，對其進(jìn)行了大幅改進(jìn)，建成超導(dǎo)裝置HT-7。2003年3月，HT-7獲得超過1分鐘的等離子體放電，最長放電時間達(dá)到63.95秒，成為繼法國之后，第二個能產(chǎn)生分鐘量級高溫等離子體放電的托卡馬克裝置。在HT-7基礎(chǔ)上，中國科學(xué)家用10年時間，自主設(shè)計和建造出世界上首個全超導(dǎo)托卡馬克裝置EAST。EAST裝置的主機(jī)部分高11米，直徑8米，重400噸，由超高真空室、縱場線圈、極向場線圈等6大部件組成。它集中了超高溫、超低溫、超大電流、超強(qiáng)磁場和超高真空等多項極限。整個項目的國產(chǎn)化率達(dá)到90%以上，自研率在70%以上。取得的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和成果達(dá)68項之多。
EAST的建成使中國成為世界上少數(shù)幾個擁有這種類型超導(dǎo)托卡馬克裝置的國家，并把中國的磁約束核聚變研究水平大幅推進(jìn)到世界前沿。建成后，EAST進(jìn)行了多次成功實驗，并創(chuàng)下多項托卡馬克運(yùn)行的世界紀(jì)錄。2012年，EAST實現(xiàn)30秒高約束等離子體放電。2013年1月，EAST又獲重大實驗成果，其輔助加熱工程的中性束注入系統(tǒng)（NBI）在綜合測試平臺上成功實現(xiàn)100秒長脈沖氫中性束引出，初步驗證了系統(tǒng)的長脈沖運(yùn)行能力。2016年，EAST獲得60秒完全非感應(yīng)電流驅(qū)動（穩(wěn)態(tài)）高約束模等離子體。接下來就是今年7月取得的驕人成就。
中國在大力推進(jìn)自身托卡馬克裝置研制和實驗的同時，積極參與國際熱核聚變實驗堆ITER計劃。該計劃是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國際科研合作項目之一，其目標(biāo)是在和平利用聚變能的基礎(chǔ)上，探索聚變在科學(xué)和工程技術(shù)上的可行性。根據(jù)相關(guān)協(xié)議，為ITER計劃提供部件是中國參與的重要方式。
2013年8月，我國研制生產(chǎn)出大電流高溫超導(dǎo)直流電纜，這是向國際熱核聚變實驗堆供貨的超導(dǎo)電纜，2016月4月，中國承擔(dān)生產(chǎn)和設(shè)計的首個超大部件——脈沖高壓變電站（PPEN）首臺主變壓器，運(yùn)往ITER設(shè)施的建造地法國。2016年12月，由中核集團(tuán)西南物理研究院自主研發(fā)制造的國際熱核聚變核心部件——超熱負(fù)荷第一壁原型件在國際上率先通過權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證，這是中國對國際熱核聚變項目的又一重大貢獻(xiàn)。目前，中國在ITER的7方采購包進(jìn)度中，已經(jīng)上升為第一位。在核聚變領(lǐng)域，中國人扮演的再也不是可有可無的“小角色”。通過參與國際熱核聚變實驗堆ITER計劃，中國也進(jìn)一步提升了自己的設(shè)備制造能力，鍛煉和培養(yǎng)了一批專才。
1億攝氏度，1000秒，這是中國科學(xué)家和“東方超環(huán)”EAST追求的目標(biāo)。因為只有將氘、氚的等離子體瞬間加熱到1億攝氏度，并至少持續(xù)1000秒，才能形成持續(xù)反應(yīng)，核聚變才能為人類所利用。
在積極推進(jìn)EAST實驗的同時，中國已瞄準(zhǔn)下一個奮斗目標(biāo)：設(shè)計建設(shè)自己的下一代核聚變裝置。2011年，中國聚變工程實驗堆（CFETR）開始了設(shè)計研究。在過去的幾年里，項目集中了中國磁約束聚變研究的骨干力量，形成實力強(qiáng)大的國家隊，努力消化ITER和國際磁約束聚變堆設(shè)計和技術(shù)，并進(jìn)行大膽創(chuàng)新。2015年8月，中國圓滿完成了聚變工程實驗堆概念設(shè)計。據(jù)悉，目前相關(guān)裝置已完成設(shè)計研究并開始了工程化設(shè)計。可以期待的是，中國將在人類開發(fā)清潔而又無限的核聚變能源領(lǐng)域作出新的探索和實踐，為“人造太陽”的早日升起作出突出貢獻(xiàn)。
