科技日報：ITER又有新進展 地球上種的“太陽”已“發(fā)芽”
文章來源：科技日報 發(fā)布時間：2020-09-03
國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃重大工程此前在法國南部圣保羅-萊迪朗斯鎮(zhèn)正式啟動安裝
當?shù)貢r間8月31日，在法國南部卡達拉舍，國際熱核聚變實驗堆（ITER）托卡馬克裝置杜瓦下部筒體吊裝工作圓滿完成。這是ITER計劃重大工程安裝啟動儀式后的第一個重大部件安裝。
此次吊裝精度和形變控制要求極高，杜瓦下部筒體直徑30米，高10米，重量約400噸，尺寸大約占ITER托卡馬克裝置的三分之一。中核集團牽頭的中法聯(lián)合體技術(shù)團隊承擔此次吊裝工作，在與業(yè)主反復(fù)進行計算確認，對吊具的尺寸、現(xiàn)場吊裝路徑以及用于就位調(diào)整的工具進行反復(fù)模擬后，在理論上確保了吊裝安裝工作的安全，并在正式吊裝前多次組織吊裝方案推演并進行吊裝試驗，確保調(diào)整工具和支撐工具狀態(tài)安全可用。
ITER計劃模仿的是太陽產(chǎn)生能量的過程——將氫同位素聚合成氦，釋放出取之不竭的熱核聚變能源。正因如此，它被形象地稱為“人造太陽”計劃。
太陽通過熱核聚變產(chǎn)生能量
中核集團核工業(yè)西南物理研究院聚變科學所副所長鐘武律介紹，由于核反應(yīng)過程中總質(zhì)量發(fā)生虧損，按照愛因斯坦的質(zhì)能方程E=mc2，核反應(yīng)中相應(yīng)地會釋放出巨大的能量。核反應(yīng)可分為核裂變和核聚變。核裂變是指由較重的原子核分裂為較輕的原子核，而核聚變則是將較輕的原子核聚合為較重的原子核。
核聚變是宇宙的能源，太陽及恒星之所以發(fā)光發(fā)熱，正是因為其內(nèi)部持續(xù)不斷地進行著輕核間的核聚變反應(yīng)。
由于自身質(zhì)量巨大，在強大的引力下，太陽會不斷擠壓其內(nèi)部的氫原子核，使得內(nèi)部的壓力和溫度變得極高，氫原子核間不斷相互碰撞，形成了可以產(chǎn)生核聚變反應(yīng)的高溫高密度條件，從而發(fā)生核聚變釋放巨大能量。太陽核心溫度超過1500萬攝氏度，在這種極高溫條件下進行的核聚變反應(yīng)也被稱為熱核聚變。
熱核聚變反應(yīng)是氫彈爆炸的基礎(chǔ)。氫彈的爆炸依賴原子彈來引爆，可在瞬間產(chǎn)生巨大能量。在原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫下，燃料的原子將全部電離成離子（原子核）和電子，它們組成的集合體即為等離子體。但氫彈爆炸是不可控的熱核聚變反應(yīng)，不能作為提供能源的手段。于是人類便致力于在地球上實現(xiàn)人工控制下的核聚變反應(yīng)即受控核聚變，希望利用太陽發(fā)光發(fā)熱的原理，為人類提供源源不斷的能源。
熱核聚變發(fā)生有三個苛刻條件
在所有核聚變反應(yīng)中，氫的同位素——氘和氚的核聚變反應(yīng)是相對容易實現(xiàn)的。因此人類至今探索研究的受控核聚變主要是基于氘氚聚變?nèi)剂系暮司圩儭?/p>
鐘武律說，實現(xiàn)可控核聚變反應(yīng)，要求在人工控制條件下等離子體的離子溫度、密度與能量約束時間“三乘積”必須達到一定值。換句話說，只有核聚變反應(yīng)釋放出足夠多的能量，才可維持核聚變反應(yīng)堆的運轉(zhuǎn)并有可觀的能量輸出，使聚變反應(yīng)循環(huán)進行。
但要在地球上模擬太陽產(chǎn)生能量的熱核聚變過程，面臨著眾多難題。熱核聚變發(fā)生的條件非常苛刻，第一是高溫條件，原子核必須具備足夠高的動能（如溫度達到上億攝氏度），才能克服原子核間的庫侖排斥力，使它們相互靠得足夠近，以便讓短程核間吸引力
發(fā)揮主要作用；第二是等離子體高密度條件，氘氚原子核的密度足夠高，可以提高原子核之間的碰撞進而發(fā)生核聚變反應(yīng)的幾率；第三是長能量約束時間，將高溫高密度的核反應(yīng)條件維持足夠長的時間，才能使核聚變反應(yīng)得以持續(xù)進行。
聚全球之力共解磁約束核聚變難題
不僅發(fā)生核聚變的條件苛刻，而且開發(fā)聚變能還面臨一系列科學與技術(shù)挑戰(zhàn)。比如，氘氚原子核在溫度超過上億攝氏度后更容易發(fā)生聚變反應(yīng)，極端高溫下的等離子體無法用普通固體容器來盛裝，為此科學家們提出用強磁場的方式將其“包裹”起來。
在國際上，利用強磁場來約束高溫等離子體的磁約束核聚變研究始于20世紀50年代，經(jīng)歷了從快箍縮、磁鏡、仿星器到托卡馬克等不同磁約束技術(shù)路線的探索。從20世紀70年代開始，托卡馬克途徑逐漸顯示出其獨特的優(yōu)點，成為國際聚變能研究的主流途徑。
但要利用托卡馬克裝置實現(xiàn)對熱核聚變的控制，在關(guān)鍵技術(shù)上仍存在很大挑戰(zhàn), 需凝聚全世界之力共同攻克。1985年美蘇首腦提出了ITER計劃，其目的就是希望通過國際聚變界的共同努力，集當今磁約束受控核聚變研究領(lǐng)域的主要科學和技術(shù)成果，建造一座熱核聚變反應(yīng)堆，以驗證核聚變能和平利用的科學和工程技術(shù)可行性。
2006年，中國、歐盟、美國、俄羅斯、日本、韓國和印度共七方簽署了啟動ITER項目的協(xié)定。該計劃是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠的國際大科學工程之一, 七方超過35個國家在法國南部參與建造了一個能產(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應(yīng)的超導(dǎo)托卡馬克裝置，它將驗證如何將足夠多的燃料在極端高溫條件下約束足夠長的時間，使它受控制地發(fā)生核聚變反應(yīng)。
鐘武律介紹，ITER裝置高30米，直徑28米，重達2萬噸，目標有3個：驗證核反應(yīng)堆級別的裝置主機集成技術(shù)；驗證裝置的穩(wěn)定運行能力；實現(xiàn)聚變反應(yīng)的輸出功率至少10倍于輸入功率（即聚變功率增益因子Q要大于10），演示50萬千瓦聚變反應(yīng)功率的可靠運行。
中國核聚變目標更在ITER之外
隨著科技日新月異，未來在核聚變能開發(fā)方面將不斷涌現(xiàn)技術(shù)革新，或可能出現(xiàn)顛覆性技術(shù)革命，比如隨著高溫超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，若采用高溫超導(dǎo)強磁場技術(shù)，可獲得高的聚變功率密度，可減小裝置的尺寸，提高聚變堆的經(jīng)濟性，且強磁場更利于聚變等離子體的高性能穩(wěn)態(tài)運行。
以ITER為標志，磁約束核聚變研究正進入反應(yīng)堆工程與實驗階段。國際主要發(fā)展聚變能的國家以瞄準未來設(shè)計建設(shè)本國聚變示范堆（DEMO）為目標，重點開展聚變實驗堆設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，并儲備相關(guān)經(jīng)驗與人才隊伍。
對中國而言，參加ITER計劃是我國磁約束核聚變能研發(fā)計劃中的關(guān)鍵一步，我國自主建造未來聚變堆仍面臨一系列關(guān)鍵科學與技術(shù)挑戰(zhàn)，需提前布局，一一攻克。
根據(jù)中國核聚變研究發(fā)展現(xiàn)狀，我國制定了發(fā)展路線和目標。2011年開始的中國聚變工程試驗堆（CFETR）設(shè)計研究，就是該路線的一個重要方面。
“縱觀國際聚變發(fā)展，受控核聚變有望于21世紀中葉實現(xiàn)和平利用。”鐘武律說，立足我國磁約束核聚變研究現(xiàn)狀，下一步我國核聚變的發(fā)展應(yīng)充分利用ITER的建設(shè)與運行，重點進行人才培養(yǎng)與技術(shù)儲備，瞄準自主設(shè)計建造聚變堆，開展ITER未涵蓋的未來聚變堆關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。
【責任編輯：趙藝涵】
掃一掃在手機打開當前頁
