中国“人造太阳”再创世界新纪录!中科院合肥物质科学研究院传来好消息:2021年12月30日晚,有“人造太阳”之称的先进实验超导托卡马克实验装置(EAST),实现1056秒的长脉冲高参数等离子体运行,这也是目前世界上托卡马克装置高等离子体运行的最长时间。新纪录不断刷新,目标只有一个:让核聚变的第一盏灯在中国点亮。
可控核聚变 为啥称为“人造小太阳”
万物生长靠太阳。支撑人类社会运转的几乎一切能源,从煤、石油、天然气,到风能、生物能,其本质都是太阳能,而太阳上的能量就来自内部的核聚变反应。太阳每秒钟有6亿吨氢发射热核反应,释放出420万吨质量的能量,地球瓜分了太阳约22亿分之一的电磁辐射能量,相当于1000多万座三峡大坝发电总量,正是靠这些能量养育了地球万物。
所谓“人造小太阳”是“核聚变反应装置”的通俗说法,就是利用太阳核聚变原理,在地球上制造出核聚变条件,并且控制能量缓慢释放,以极高的效率产生源源不断的清洁能源。科学家尝试用“人造太阳”的方法,在装置的真空室内加入少量氢的同位素氘或氚,把它们变成离子体,然后提高密度、温度,使其发生聚变反应,从而产生巨大的能量。
海水中含有大量核聚变燃料——氢的同位素“氘”。一升海水含30毫克氘,完全聚变释放的能量相当于燃烧340升汽油。海水中氘的总量约40万亿吨,按目前世界消耗的能源计算,聚变能可用几百亿年。月球上发现的氦-3,也是核聚变的优质材料,如果全部开采,够人类发电1万年。
中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所王腾博士说,煤、石油、天然气等能源未来有枯竭的危险,还存在一定的环境污染,而“人造太阳”核聚变反应所需的原材料在地球上几乎取之不尽、用之不竭。而且核聚变不产生直接放射性核废料,不产生二氧化碳等大气污染物,很容易通过熄灭等离子体的方法快速终止,不存在反应失控的危险。可控核聚变技术一旦被人类掌握,将是理想的“终极能源”。
中国“人造太阳” EAST长啥样
中国“人造太阳”,又被称为东方超环的EAST,全名叫“先进实验超导托卡马克实验装置”,由我国自行设计研制。
“人造太阳”装置主体高11米、直径8米、重达400吨,周围供电、冷却等辅助设备林立,其核心结构是一个像面包圈的环形磁容器“托卡马克”。整个大科学装置共有48个窗口,零件数量相当于5架波音777飞机的零件总和。短短数十秒运行中,任何一个零件失灵,任何一滴不该出现的水珠,任何一个停滞的环节,都会导致实验风险。
可控核聚变的原理很简单,但实现起来困难重重。首先,太阳之所以能源源不断地发生核聚变反应,是因为中心压强高达2000亿个大气压,即便如此,核聚变也需要在1500万摄氏度的温度下进行。
地球上压强无法达到那么高,核聚变就需要上亿摄氏度的高温才能正常进行。所以,可控核聚变存在两大难题:如何把聚变材料加热到上亿摄氏度?用什么容器来装这么高温度的聚变材料?目前有几种能实现可控核聚变的方式,“托卡马克”就是其中一种。其原理是,把聚变材料变成等离子体,然后用超强的磁场来让这些等离子悬空高速旋转,这叫“磁约束”。如此一来,上亿摄氏度的等离子体就不会直接接触容器,也就不会烧毁容器了。
2006年建成于合肥的EAST装置,是国际上最重要的核聚变研究实验平台之一。先后于2010年运行1兆安等离子体电流、2018年首次获得1亿摄氏度高温等离子体、2021年5月成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行、2021年末实现大于1000秒运行。到目前为止,EAST累计放电次数超过10万次,实现了1兆安等离子体电流、1亿摄氏度高温等离子体、1000秒运行时间三大科学条件。
大批高新技术成果转化 实现一路摘瓜、沿途下蛋
EAST装置实验运行总负责人龚先祖介绍:“2021年上半年,我们把电子温度1.2亿摄氏度等离子体维持了101秒,这次是把电子温度近7000万摄氏度的长脉冲高参数等离子体维持了1056秒,注入能量达到1.73吉焦。这是两个不同阶段的目标,千秒等离子体运行的实现,为未来建造稳态的聚变工程堆奠定了坚实的科学和实验基础。”
中科院合肥物质科学研究院副院长、等离子体物理研究所所长宋云涛说,本轮实验至少持续到2022年6月,EAST科研团队将在未来聚变堆类似条件下,向更高参数稳态高约束等离子体运行等科学目标发起冲击,“1000秒是阶段目标,更是新的起点”。
在东方超环这座大科学装置的牵引下,还衍生出一系列重要的创新成果,形成了超导技术、低温技术、等离子体技术、生物技术、材料技术、机器人技术等多个产业技术板块,推动一大批高新技术成果实现转移转化,实现了“一路摘瓜”“沿途下蛋”。
比如,质子和重离子放疗是目前国际公认最尖端的放射治疗技术,一直被发达国家所垄断。合肥等离子体所利用EAST的超导技术,积极研制国内首套具有自主知识产权的医用超导质子癌症治疗系统,将大幅降低患者治疗费用。此外,等离子体还能治疗皮肤病,有广谱抗菌、加速凝血、促进细胞增殖、无耐药性及副作用等优点；等离子体所还将EAST离子束技术引入生物学科,致力于微生物新菌种的创制、发酵调控、产物分离分析及终端产品的研究和产业转化。
点亮核聚变第一盏灯 离我们还有多远
实验装置、实验堆、工程堆是瞄准聚变能商用不可逾越的步骤,经过国际社会70余年的共同努力,核聚变研究已从实验装置进入实验堆和工程堆篇章。
合肥EAST只是一个核聚变实验堆,据媒体报道,我国下一代“人造太阳”——中国聚变工程实验堆(CFETR)目前已完成工程设计并开始建造,计划到2035年建成核聚变工程实验堆,开始实用化发电的大规模科学实验,到2050年,聚变工程实验堆实验成功并建设大型聚变商业示范堆,初步掌握可控核聚变发电等方面技术。
以这个项目为依托,我国科研人员还参与了目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目ITER(国际热核聚变实验堆计划)。
可以说,我国当前的托卡马克核聚变装置走在世界前列,是最有希望率先掌握可控核聚变技术的国家。虽然可控核聚变当前还只能在实验室内进行短时间维持,但近几年我国的突破有目共睹,从几十秒到几百秒再到如今的突破千秒,总有一天会达到里程碑式的进展,开启一个新的时代。未来如果实现“人造太阳”产能和供能,对于整个人类世界,将是比工业革命更能推动社会进步的又一次科技革命。
到目前为止,EAST累计放电次数超过10万次,一路走来,每一项纪录就像一个深深的脚印,记录着我国在开发利用聚变能征程上的每一步。这条路目的地只有一个:“让聚变能的第一盏灯在中国点亮”,我们相信终点总会到达。
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