新一代“人造太陽(yáng)”又迎突破，離核聚變點(diǎn)火更近一步

  提高三乘積，讓可控核聚變走向現(xiàn)實(shí)

  依托現(xiàn)有核科技工業(yè)體系，凝聚核工程領(lǐng)域具有專業(yè)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)基礎(chǔ)的相關(guān)研究單位和企業(yè)，逐步搭建聚變能的技術(shù)開(kāi)發(fā)體系和工業(yè)體系，集中力量開(kāi)展核聚變工程和技術(shù)攻關(guān)，再經(jīng)過(guò)三十年左右的時(shí)間，也就是到2050年左右，人類將能利用核聚變能源。

  段旭如

  中核集團(tuán)核聚變堆技術(shù)領(lǐng)域首席專家

  核聚變，是一種核反應(yīng)的形式，即輕原子核(例如氘和氚)結(jié)合成較重原子核(例如氦)時(shí)放出巨大能量的過(guò)程。在不加約束的情況下，核聚變往往是劇烈而不可控的。長(zhǎng)期以來(lái)，實(shí)現(xiàn)可控核聚變，為人類的發(fā)展提供源源不斷的能源是人們的愿景。核聚變點(diǎn)火作為實(shí)現(xiàn)可控核聚變的關(guān)鍵步驟，是實(shí)現(xiàn)可控核聚變的前提和基礎(chǔ)。如今，實(shí)現(xiàn)核聚變點(diǎn)火這一目標(biāo)，正在逐漸走向現(xiàn)實(shí)。

  近日，中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院傳來(lái)捷報(bào)，我國(guó)新一代“人造太陽(yáng)”(HL-2M)等離子體電流首次突破100萬(wàn)安培(1兆安)。

  100萬(wàn)安培電流是個(gè)什么概念？有怎樣的關(guān)鍵意義？專家指出，達(dá)到100萬(wàn)安培這個(gè)數(shù)字，標(biāo)志著我國(guó)“人造太陽(yáng)”向著核聚變點(diǎn)火邁出了重要一步。

  三大關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火必要條件

  如果說(shuō)通過(guò)分裂重原子核來(lái)產(chǎn)生能源的核裂變，是將原本完整的鏡子打碎，那么核聚變可以說(shuō)恰恰相反，其產(chǎn)生能源的方式是將打碎的鏡子復(fù)原，通過(guò)“破鏡重圓”來(lái)釋放能量。

  中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院聚變科學(xué)所副所長(zhǎng)(主持工作)、HL-2M實(shí)驗(yàn)負(fù)責(zé)人鐘武律向科技日?qǐng)?bào)記者介紹，核聚變產(chǎn)生能源的基本原理是由于氫的同位素——輕原子核氘和氚結(jié)合成較重的原子核氦時(shí)會(huì)釋放巨大能量。太陽(yáng)內(nèi)部便每時(shí)每刻都在發(fā)生著類似的核聚變反應(yīng)，從而源源不斷地發(fā)出光和熱。

  而想要兩個(gè)原本獨(dú)立的原子核克服各種阻礙合為一體，就需要溫度、密度、約束時(shí)間等參數(shù)滿足極為苛刻的條件。否則反應(yīng)無(wú)法維持，核聚變就不會(huì)發(fā)生。

  英國(guó)物理學(xué)家勞森在上世紀(jì)50年代對(duì)核聚變反應(yīng)堆的能量平衡問(wèn)題進(jìn)行深入研究后，提出了核聚變研究中著名的“勞森判據(jù)”，即當(dāng)核聚變反應(yīng)的能量產(chǎn)出率大于能量損耗率，并且有足夠能量使核聚變反應(yīng)穩(wěn)定持續(xù)時(shí)，通常意味著核聚變點(diǎn)火成功。利用具體的計(jì)算公式，目前可以將勞森判據(jù)直觀地轉(zhuǎn)換為對(duì)溫度、密度、約束時(shí)間這三個(gè)參數(shù)的乘積，即所謂聚變?nèi)朔e大小的判斷。

  鐘武律表示，衡量核聚變裝置及核聚變研究的水平，主要看三個(gè)參數(shù)：燃料的離子溫度、等離子體密度和能量約束時(shí)間，三者缺一不可。

  而在磁約束核聚變裝置中，上述三個(gè)參數(shù)中的等離子體密度和能量約束時(shí)間恰恰與等離子體電流成正比?！暗入x子體電流越高，等離子體密度和能量約束時(shí)間這兩個(gè)參數(shù)就越高，就可以更加接近點(diǎn)火要求的聚變?nèi)朔e。”鐘武律說(shuō)，“因此，如果根據(jù)聚變?nèi)朔e的結(jié)果倒推，未來(lái)托卡馬克要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，等離子體電流必須超過(guò)1兆安?！?

  此外，鐘武律還介紹，聚變堆的聚變功率與等離子體電流的平方成正比，等離子體電流若提升10倍，聚變功率便可提升100倍。

  多種先進(jìn)技術(shù)，不斷刷新各項(xiàng)國(guó)內(nèi)國(guó)際紀(jì)錄

  “勞森判據(jù)”已經(jīng)指出實(shí)現(xiàn)核聚變點(diǎn)火需要提高的三個(gè)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)核聚變點(diǎn)火似乎已經(jīng)變成一場(chǎng)“開(kāi)卷”考試?？墒谴鸢鸽m已寫明，“解題”過(guò)程卻仍需不斷探索。圍繞著提高聚變?nèi)朔e、實(shí)現(xiàn)核聚變點(diǎn)火這一最終目標(biāo)，多年來(lái)，我國(guó)的托卡馬克裝置不斷刷新著新的紀(jì)錄。

  托卡馬克裝置通常有著大體相似的結(jié)構(gòu)，鐘武律向記者介紹，托卡馬克裝置的中央是一個(gè)環(huán)形真空室，里面注滿氣體，外面纏繞著線圈。線圈通電后，會(huì)在托卡馬克內(nèi)部產(chǎn)生巨大的螺旋型磁場(chǎng)，里面的氣體將被電離成等離子體并形成等離子體電流。當(dāng)?shù)入x子體被加熱到極高溫度后，便可實(shí)現(xiàn)核聚變。

  在此次新一代“人造太陽(yáng)”HL-2M實(shí)現(xiàn)等離子電流1兆安突破前，我國(guó)的另一個(gè)“人造太陽(yáng)”，由中國(guó)科學(xué)院等離子體所研制的被稱為東方超環(huán)的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置(EAST)也頻頻進(jìn)入大眾視野。它也是我國(guó)自主設(shè)計(jì)的世界首個(gè)非圓截面全超導(dǎo)托卡馬克。

  在突破聚變?nèi)朔e的道路上，常規(guī)的托卡馬克裝置存在著一定的固有缺陷。目前，世界上的多數(shù)托卡馬克裝置主要以實(shí)驗(yàn)研究為目的，要不斷對(duì)約束等離子體的磁場(chǎng)的形態(tài)和性質(zhì)進(jìn)行深入研究。這就要求其約束磁場(chǎng)能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。雖然磁場(chǎng)可以約束上億攝氏度的等離子體，但是其本身卻并不穩(wěn)定。維持強(qiáng)大的約束磁場(chǎng)，需要非常大的電流。但是普通線圈在高強(qiáng)度、長(zhǎng)時(shí)間通電后難免會(huì)大量發(fā)熱。如果僅從這一角度來(lái)看，常規(guī)托卡馬克在長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行方面存在著諸多挑戰(zhàn)。

  為了解決常規(guī)托卡馬克的瓶頸，超導(dǎo)技術(shù)便被引入到了托卡馬克建設(shè)中。超導(dǎo)材料由于具有顯著的零電阻特性，幾乎不產(chǎn)生電阻熱，可以通過(guò)強(qiáng)大的電流穩(wěn)定地產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，因此被認(rèn)為是未來(lái)托卡馬克裝置的重要組成部分。

  作為全球首個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克，EAST的中間是高11米、直徑8米的圓柱形大型超導(dǎo)磁體，外側(cè)則由超導(dǎo)材料制成的線圈圍成。得益于超導(dǎo)材料的零電阻等特性，EAST在運(yùn)行過(guò)程中可以大大節(jié)省供電功率，并且長(zhǎng)時(shí)間維持磁體工作。因此，EAST在能量約束時(shí)間這一參數(shù)上具有格外強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。

  同時(shí)，借助電子回旋與低雜波協(xié)同加熱等技術(shù)，EAST在建成后先后成功突破等離子體中心電子溫度1億攝氏度、可重復(fù)的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運(yùn)行、1056秒的長(zhǎng)脈沖高參數(shù)等離子體運(yùn)行等多項(xiàng)國(guó)內(nèi)、國(guó)際紀(jì)錄。

  作為我國(guó)最新一代托卡馬克裝置，HL-2M采用的是常規(guī)磁體，應(yīng)用了先進(jìn)的結(jié)構(gòu)與控制方式。鐘武律表示，HL-2M的等離子體體積是國(guó)內(nèi)同類裝置的2倍以上，在未來(lái)，其等離子體電流能力將提高到2.5兆安以上。

  一個(gè)宏偉目標(biāo)，力圖2050年實(shí)現(xiàn)能源化利用

  今年兩會(huì)期間，中核集團(tuán)核聚變堆技術(shù)領(lǐng)域首席專家、國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃科技咨詢委員會(huì)副主席段旭如表示，若依托現(xiàn)有核科技工業(yè)體系，凝聚核工程領(lǐng)域具有專業(yè)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)基礎(chǔ)的相關(guān)研究單位和企業(yè)，逐步搭建聚變能的技術(shù)開(kāi)發(fā)體系和工業(yè)體系，集中力量開(kāi)展核聚變工程和技術(shù)攻關(guān)，再經(jīng)過(guò)三十年左右的時(shí)間，也就是到2050年左右，人類將能利用核聚變能源。

  目前在磁約束核聚變領(lǐng)域，集結(jié)了全球多個(gè)主要經(jīng)濟(jì)體的“國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃”最為受人矚目。該計(jì)劃的目標(biāo)是建設(shè)能產(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應(yīng)的托卡馬克裝置。

  段旭如表示，我國(guó)自2006年正式參加ITER計(jì)劃以來(lái)，承擔(dān)了ITER裝置重要關(guān)鍵部件的制造任務(wù)。我國(guó)多個(gè)托卡馬克裝置在吸收ITER先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，也為ITER計(jì)劃提供了寶貴的研究參考。利用ITER計(jì)劃這一良好國(guó)際合作平臺(tái)，我國(guó)的聚變研究得到了快速發(fā)展，磁約束核聚變研究從過(guò)去的跟跑步入了并跑階段，部分技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

  此次實(shí)現(xiàn)突破的HL-2M裝置接下來(lái)也將繼續(xù)與ITER計(jì)劃展開(kāi)合作，開(kāi)展相關(guān)物理實(shí)驗(yàn)，力爭(zhēng)掌握或突破聚變堆工程相關(guān)技術(shù)，如高功率輔助加熱和電流驅(qū)動(dòng)、偏濾器排灰排熱、聚變產(chǎn)物診斷等關(guān)鍵技術(shù)。

  鐘武律表示，HL-2M不僅可以實(shí)現(xiàn)高參數(shù)的等離子放電，其離子溫度也可達(dá)到1.5億攝氏度，實(shí)現(xiàn)與聚變堆相關(guān)的高密度、高比壓、高自舉電流等離子體運(yùn)行。在未來(lái)，HL-2M將繼續(xù)有條不紊地開(kāi)展后續(xù)實(shí)驗(yàn)工作，沖擊更高的等離子體電流和離子溫度等參數(shù)，全面提升聚變?nèi)朔e，實(shí)現(xiàn)我國(guó)“人造太陽(yáng)”研究的新飛躍。