全球最大“人造太陽”核心安裝開啟
文章來源：經(jīng)濟日報 發(fā)布時間：2020-06-16
起重機將國際熱核聚變實驗堆的杜瓦底座吊入托卡馬克基坑內(nèi)。
中核集團建造的中國環(huán)流器二號。
可控核聚變裝置俗稱“人造太陽”，是照亮人類未來的終極能源夢想。近日，我國傳來好消息：由中核集團牽頭的中法聯(lián)合體為“人造太陽”核心設備安裝工作全面開展創(chuàng)造了有利條件——這是中國向核能高端市場邁出的實質(zhì)性步伐，將為我國深度參與聚變國際合作、自主設計建造未來中國聚變堆奠定堅實基礎。
近日，位于法國的世界上最大的核聚變反應堆——國際熱核聚變實驗堆（ITER）項目迎來了重要里程碑時刻，施工人員開始安裝反應堆托卡馬克的首個主要部件。此前，由中核集團牽頭的中法聯(lián)合體按期開展了相關安裝底座——杜瓦底座的接收及吊裝準備工作，為核心設備安裝工作全面開展創(chuàng)造了有利條件。這是中國向核能高端市場邁出的實質(zhì)性步伐，將為我國深度參與聚變國際合作、自主設計建造未來中國聚變堆奠定堅實基礎。
從“靠太陽”到“造太陽”
可控核聚變裝置俗稱“人造太陽”，是全球核聚變?nèi)艘淮恿Ρ寂埽铝τ谡樟寥祟愇磥淼慕K極能源夢想。伴隨全球人口增長與經(jīng)濟發(fā)展，能源需求將持續(xù)增長。然而，地球化石燃料的儲量有限，尋找未來能源成為當務之急。
萬物生長靠太陽，無論是傳統(tǒng)的化石能源，還是風能、生物能等新型能源，其本質(zhì)都是太陽能。而太陽的能量，科學家們早已探明究竟：來自其內(nèi)部的核聚變反應。
那么，我們是否可以模擬太陽產(chǎn)生能量的原理，研發(fā)可控核聚變技術，從而制造“太陽”呢？
專家的回答是肯定的：不僅可以，而且是必須。
“可控核聚變是目前人類認識到的，可以最終解決人類社會能源與環(huán)境問題、推動人類社會可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。”中核集團核工業(yè)西南物理研究院院長段旭如表示。
從必要性來說，化石能源不可再生且有污染，風能、水能不穩(wěn)定，核裂變能原料有限、核廢料有放射性污染，因此，需要尋找資源豐富、清潔高效的新能源——目前，最有可能擔當這一角色的只有可控核聚變能。而且，可控核聚變不排放有害氣體，有利于解決當前的環(huán)境污染問題。
從可行性來說，核聚變的原料是氫的同位素（氘和氚），地球上含量極為豐富。“氘在海水中儲量極大，1公升海水里提取出的氘，在完全聚變反應后，可釋放相當于燃燒300公升汽油的能量。”段旭如說。
一字之差的困難
從核裂變到核聚變，從不可控到可控——僅一字之差，但技術難度差別太大了。“世界上首顆原子彈爆炸后不到10年，核裂變技術就實現(xiàn)了和平利用，建成了核電站。”中核集團核工業(yè)西南物理研究院特聘研究員鐘武律說，因此，許多人曾樂觀地認為，用不了多久就能實現(xiàn)核聚變的和平利用——然而，經(jīng)過全世界科學家超過半個世紀的努力，至今仍未成功。
鐘武律做了一個簡單比較。太陽能穩(wěn)定核聚變，是因其內(nèi)部不僅有1500萬攝氏度以上的高溫，且約有3000億個大氣壓的超高氣壓。而地球上無法達到如此高的氣壓，只能在高溫上下功夫了，需要把溫度提高到上億攝氏度才行。“先不說如何產(chǎn)生這么高的溫度，就算產(chǎn)生了，也找不到容器‘盛放’它。”鐘武律說，地球上最耐高溫的金屬材料鎢在3000多攝氏度就會熔化。
不過，人類不會被困難嚇倒。20世紀50年代開始，科學家們就經(jīng)歷了一系列磁約束技術路線的探索，到20世紀60年代，蘇聯(lián)科學家提出托卡馬克方案，效果驚人，備受關注。托卡馬克，簡單來說是一種利用磁約束來實現(xiàn)受控核聚變的環(huán)形容器。它的中央是一個環(huán)形真空，外面圍繞著線圈。通電時，其內(nèi)部會產(chǎn)生巨大螺旋形磁場，將其中的等離子體加熱到很高溫度，以達到核聚變目的。
“核聚變能是清潔安全的，但仍需科學普及。”段旭如表示，就聚變堆而言，燃燒等離子體被約束在真空室內(nèi)，且所含聚變堆中的氘氚燃料含量低，不會爆炸，也不會導致泄漏，幾乎沒有放射性污染。
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我國可控聚變研究始自20世紀50年代，幾乎與國際上聚變研究同步。
1965年，根據(jù)建設需要，我國建立了當時國內(nèi)最大的聚變研究基地——西南物理研究所，也就是中核集團核工業(yè)西南物理研究院的前身。
正是在這里，中國核聚變領域第一座大科學裝置——中國環(huán)流器一號（HL－1）托卡馬克裝置于1984年建成，成為我國核聚變研究史上的一個重要里程碑。它的成功建造與運行為我國自主設計、建造、運行核聚變實驗研究裝置積累了豐富經(jīng)驗，培養(yǎng)了我國第一批核聚變工程技術及實驗運行人才隊伍，為我國發(fā)展更高參數(shù)的磁約束聚變大科學裝置奠定了堅實基礎。
從此，中國磁約束聚變一步步從無到有，從小到大。1995年，中國第一個超導托卡馬克裝置HT－7在合肥建成；2002年中國建成第一個具有偏濾器位形的托卡馬克裝置中國環(huán)流器二號A（HL－2A）；2006年，世界上第一個全超導托卡馬克裝置東方超環(huán)（EAST）首次等離子體放電成功……
預計今年在四川成都投入運行的“中國環(huán)流器二號M”裝置，將成為我國規(guī)模最大、參數(shù)最高的磁約束可控核聚變實驗研究裝置。它可將我國現(xiàn)有裝置的最高等離子體電流從1兆安培提高到3兆安培，離子溫度也將達到1億攝氏度以上。
人類的共同目標
正如太陽造福于整個地球，“人造太陽”的研制，將為人類帶來巨大福祉。但其技術挑戰(zhàn)大，研發(fā)困難重重，因此需集全球之力共同來攻克。
基于此，國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃2006年應運而生，由中國、美國、歐盟、俄羅斯、日本、韓國和印度7方參與，計劃在法國普羅旺斯地區(qū)共同建造一個電站規(guī)模的聚變反應堆，也即世界上最大的托卡馬克裝置。ITER是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠的國際科技合作項目之一，凝聚了國際聚變界多年來的研究成果以及國際聚變界的技術力量。
“該項目也是中國以平等身份參加的最大國際科技合作項目。其中，中國承擔了約9%的采購包研發(fā)任務。”段旭如表示：“簽署這個計劃，正是希望集中全球科技力量，共同攻克難題。”
“這些年來，我國磁約束聚變研究進展得益于參加ITER計劃。”段旭如說，利用這一良好國際合作平臺，在國家有關部委的大力支持下，我國核聚變研究實現(xiàn)了高質(zhì)量發(fā)展，磁約束核聚變研究從過去地跟跑步入了并跑階段，部分技術達到了國際領先水平。
中國的積極參與也推動了ITER計劃的快速發(fā)展。鐘武律表示，參加ITER計劃以來，中國積極參與建設，承擔著諸多核心部件研發(fā)制造（采購包）任務。“目前，中國承擔的ITER采購包，不管是在研發(fā)進度還是在完成質(zhì)量方面，均處于7方的前列，為ITER建設貢獻了中國力量與智慧。在國際聚變舞臺上，中國有了更大的話語權。”
除了承擔中方承諾的任務外，中方還積極爭取ITER其他關鍵任務。去年9月，中核集團牽頭拿下了ITER迄今金額最大的主機總裝1號合同。這個工程安裝的是ITER裝置最重要的核心設備，其重要性相當于核電站的反應堆、人體里的心臟。這是有史以來中國企業(yè)在歐洲市場中標的最大核能工程項目合同。
“通過國際競標拿到了ITER項目最核心部分的安裝工程，證明我們的團隊在世界上是領先的。”中核集團董事長余劍鋒表示。
“從ITER計劃的進展以及國際核聚變發(fā)展進程看，我們有信心到21世紀中葉實現(xiàn)可控的核聚變發(fā)電。”段旭如充滿信心。
【責任編輯：趙藝涵】
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