好消息!我國核聚變發展取得重大突破 新一代“人造太陽”開始放電
- 來源: 中國青年報 2020-12-08 17:30:29
劉永是被這樣一道電光“擊中”的:漆黑的內壁開始明亮起來,在攝像機鏡頭下泛著藍光,一道白光突然出現,間歇又是一道。隨后,電光交織、頻繁閃爍。“真美!”他的手掌心倏地張開,因為激動,掌心還殘留汗漬。
12月4日14時02分,新一代“人造太陽”裝置——中國環流器二號M裝置(HL-2M)在成都建成并實現首次放電。劉永是這個項目的負責人。當天的放電儀式上,人們沸騰了。國家原子能機構主任張克儉說,今天,我國自主研制的中國環流器二號M裝置建成運行,這是我國核聚變發展史上的重要里程碑。
這個被評價為里程碑式的裝置總體參數達到國際先進水平,它的等離子體體積達到國內現有裝置兩倍以上,等離子體電流能力提高到2.5兆安培以上,等離子體離子溫度可達到1.5億度,相當于太陽芯部溫度的近10倍,能實現高密度、高比壓、高自舉電流運行。
對此,劉永滿懷豪情,他說,HL-2M主要是用來開展高參數、高性能條件下的可控核聚變研究,而研究的最終目的是“問鼎”人類終極能源,再造一個太陽。
支撐人類社會發展的能量來自太陽,太陽的能量則來自核聚變。質量小的原子在一定條件下(如超高溫和高壓),會發生原子核互相聚合作用,原子核的變化往往伴隨巨大的能量釋放。如果人類可以掌控這種反應,就意味著世世代代將擁有無限的、清潔的能源。因此,從上世紀50年代開始,中國就一直致力于打造“人造太陽”。
這一過程并不容易。要實現可控核聚變反應,必須滿足三個苛刻條件:一是溫度要足夠高,使燃料變成超過1億攝氏度的等離子體;二是密度要足夠高,這樣兩原子核發生碰撞的概率就大;三是等離子體在有限的空間里被約束足夠長時間。
為了達到這三個條件,目前,國際上大多數國家都采取建造托卡馬克裝置的形式。這是一種利用磁約束來實現受控核聚變的環形容器。它的中央是一個環形的真空室,外面纏繞著線圈。在通電時,托卡馬克內部會產生巨大的螺旋形磁場,將其中的等離子體加熱到很高的溫度,以達到核聚變的目的。
多年來,我國已建成中國環流器—號、二號裝置、“東方超環”等一批大科學裝置,掌握了“人造太陽”的部分關鍵技術,但離讓聚變反應持續可控的目標仍有不小的差距。事實上,這對世界各國來說都是個巨大的挑戰。
一個可以佐證的事實是,由于難度實在太大,1985年,國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃被推出,集全世界力量攻克難關。該計劃吸引了中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國七方參與,是當今世界最大的科學工程之一,也是我國第一次以全權、平等伙伴身份參加的大型國際科技合作項目。
ITER計劃實施后,中國核聚變如何發展?這成為中國核聚變研究者必須直面的問題。當時,中國的托卡馬克裝置已難以滿足核聚變研究的要求,他們亟須性能更高、參數指標與國際先進水平媲美的平臺做支撐。
“參數越接近ITER越有利于中國在全球核聚變領域發揮作用。但是,這對國家綜合實力,特別是工業制造能力一項嚴峻的考驗。”劉永說,在前ITER時代,參數很低的裝置顯然沒有必要建造。但是建造參數高的裝置,中國技術積累夠不夠、是否具備建造能力、人才是否能支撐,經費是否能保障……對這一長串問題,專家們爭議很多。
如何平衡和把握先進性和可靠性之間的關系,成為大家反復討論的焦點。但專家們最終的意見是:努力跳,夠得著。
在劉永看來,對于中國人來說,若要在ITER上發揮更多作用,像HL-2M這樣高參數運行的裝置不可或缺,一方面支撐ITER,為ITER開展預先研究,并探索相關物理與工程問題;另一方面就是作為我國可控核聚變人才培養的重要平臺。這是承上啟下的重要一步,不可逾越。
沒有人精確地計算過HL-2M中究竟有多少項創新。事實上,對于HL-2M工程項目的科研人員、設計師、工程師和管理團隊來說,他們每一天都在創新的路上。
中國可控核聚變研究與世界幾乎同步。自1955年錢三強、李正武等老一輩科學家提議開展“可控熱核反應”以來,我國在聚變領域取得了一系列重要科研成果。特別是1965年中核集團核工業西南物理研究院(以下簡稱“核西物院”)成立后,先后發展了脈沖磁鏡、角向箍縮裝置、仿星器、超導磁鏡、反場箍縮裝置和托卡馬克等多種類型的磁約束聚變研究裝置。
其中,最為典型的是1984年在四川樂山建成的中國環流器一號(HL-1),標志著我國可控核聚變研究從原理探索進入規模化實驗研究新階段。從此,中國核聚變研究由小到大、由弱到強,進入高質量發展的新階段。2002年,由核西物院建造的中國環流器二號A(HL-2A)成為這一時期的代表,這也是我國第一個具有偏濾器位形的托卡馬克裝置。
HL-2M裝置是HL-2A的改造升級裝置。在HL-2M裝置建設過程中,核西物院聯合國內多家研制單位,在裝置物理與結構設計、特殊材料研制、材料連接與關鍵部件研發、總裝集成等方面取得了多項突破。
以HL-2M裝置建設為牽引,核西物院掌握的特種材料、關鍵設備、極端條件精密制造等關鍵技術,已形成“同步輻射”效應,在航空、航天、電子等前沿領域實現創新應用。
這個團隊的一名晚輩在學校時就一直在關注ITER的進展,前年博士畢業后因為想做核聚變的研究加入了核西物院,正好趕上HL-2M裝置的研制安裝。
這個名叫劉林子的年輕人說,現實情況比起初預想要困難得多,HL-2M中不少材料和工藝都是前人沒有做過的,為了實現“努力跳、夠得著”,他們不斷在向極限挑戰。
一名建造人員數次腰疾復發,愣是堅守制造現場沒說一聲,直至被人發現臉色不對、直冒冷汗才下了工廠;為了突破技術瓶頸,有人干脆住在了工廠,后來一算日子,自己累計駐廠竟然近5年了;在重要部件的安裝、調試期,有的團隊一個月內做了十幾個方案,反復驗證,最終在現場苦戰整整3個月才完成任務……
20年彈指一揮間。HL-2M首次放電那天,不少人都松了一口氣,聚在一起聊著這些年的經歷,年輕的后輩饒有興致地聽著。
劉林子很激動,她曾經參觀過秦山核電站,那里的博物館讓她感觸很深,“裂變都已經有一個展覽館可以講述自己的歷史了,以后聚變站建好了,我們會不會也有這樣一個博物館講述我們的歷史?”她希望自己能成為書寫歷史的一員。
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