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原标题:5000万度高温,烧了101秒,中国这个黑科技又一次震撼了世界!

中国研制的这个可以改变人类未来的“人造太阳”,又让全世界震惊了。

文|何方 瞭望智库特约能源观察员

本文为瞭望智库原创文章,如需转载请在文前注明来源瞭望智(zhczyj)及作者信息,否则将严格追究法律责任。

日前,中国科学院等离子研究所宣布,国家大科学装置——世界上第一个全超导托卡马克(EAST)东方超环再传捷报:实现了稳定的101.2秒稳态长脉冲高约束等离子体运行(相当于稳定“燃烧”了上百秒),创造了新的世界纪录。这是我国科学家集几十年研究心血,取得的可控核聚变研究的最新成就,更是迄今为止,人类可控核聚变研究最先进的成果。

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拿什么控制你,一亿度的高温


上世纪三十年代初,核聚变原理就被科学家们提出,该原理简单却引人入胜。想一想,两个自然界中随处可见的轻核结合在一起,就可以放出巨大的能量,而且还不产生任何污染物,这简直是人类理想的终极能源形势。

随着科技发展,科学家们认识到,氢的两种同位素,氘(dāo)和氚(chuān)之间的聚变反应,是最容易实现的聚变形势。这种核聚变已经在太阳上存在了数十亿年,在原子弹研制成功不久,人类也实现了氘和氚之间的核聚变,这便是氢弹。

在核裂变反应堆开始源源不断为人类提供核电时,科学家们就开始考虑研究核聚变反应堆,并期望在不久的将来实现聚变反应堆发电,一劳永逸地解决人类的能源问题。

但是,可控核聚变发生的条件极为苛刻。要发生可控核聚变,必须将反应堆维持在上亿度的高温,只有在此条件下,注入的氚和氘的布朗运动才会变得超级剧烈,或者说是狂暴,此时氘和氚的原子核才会碰撞在一起,发生核聚变,产生一个氦核和一个中子,同时放出巨大的能量。

不幸的是,迄今为止,人类发明的最耐热的材料,也只能忍受数万摄氏度的温度,在一亿度以上的高温面前,一切材料都只能俯首称臣。于是,研究核聚变便归结为一个简单的问题:用什么东西约束住可控核聚变发生时的超高温物质?

磁场!这是科学家们异口同声的答案。利用磁场约束住上亿度的等离子体,让这团等离子体“悬浮”于磁场之中,这样,就不需要耐高温容器了。在这团受约束的超高温等离子体中源源不断地注入氚和氘,人类就可以实现可控核聚变了!

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搞可控核聚变:闭门造车玩不好


从上世纪五十年代开始直到今天,科学家们在可控核聚变方面的研究的最主要工作,就是寻找一种可靠的,可以约束超高温等离子体的装置。

在可控核聚变研究开始之初,世界各国都认为可控核聚变很容易实现,都在绝密的状态下开始了可控核聚变研究,他们都希望自己成为最早掌握这一先进能源技术的国家。但是,经过多次失败后,各国科学家才发现可控核聚变实在是难以实现,不得不进行国际交流。

大约在1958年前后,各国可控核聚变研究方面的交流已经变得充分,他们惊讶地发现,遇到的都是类似的问题。这意味着,研究可控核聚变,面临的不是简单的技术问题,而是理论问题,这种情况下,只有世界科学家联合起来,才能掌握可控核聚变技术。

也就是从这个时候开始,世界可控核聚变研究变得公开,开始重视国际交流,世界各国进入一种良性竞争的状态,即各国都开始在可控核聚变方面努力,并不断公开自己的最新研究成果,一方面让各国同行少走弯路,另一方面凸显本国科研实力。

相对其他国家的可控核聚变研究都是在氢弹研制成功之后,我国可控核聚变研究起步很早,始于1955年。这一年,我国著名核物理学家李正武刚回国不久,在他的建议下,我国开始了可控核聚变的研究。

1959年,我国新建了核聚变研究装置,取名“小龙”,新的装置属于脉冲压缩/磁镜装置,这个装置效果较好,一直使用至1969年才关闭。

同一时期,与李正武同期回国的科学家孙湘,在1962年初的“第一次全国电工会议”上报告了自己的研究成果,并将研究论文发表在1965年的《物理学报》上,这是我国可控核聚变研究最早公开发表的文献之一。

60年代初,在著名物理学家、1956年回国的王承书的倡导下,我国开始建设“仿星器”装置。只是受不久后的“文革”影响,该装置没有达到试验目的,以失败告终。

这一时期,我国的可控核聚变研究的指导思想是“小规模多途径探索”,这一阶段共建造了9个可控核聚变研究装置。但是当时由于国内生产技术落后、对外封闭、科技信息交流不畅等客观因素,这些装置在没有“约束场”绕组的情况下,均没有获得可供物理研究的等离子体。不过,这些研究还是给我国培养了一批可控核聚变的研究人才,也取得了许多研究成果,为我国后续的可控核聚变研究奠定了基础。

上世纪60年代末,苏联科学家阿尔齐莫维奇发布了托卡马克磁约束方案,人类第一次利用磁场约束住了超高温等离子体,让科学家们第一次看到可控核聚变的曙光。所谓托卡马克装置,英文为TOKAMAK(由俄语中的“环形”“真空”“磁”“线圈”四个单词的缩写构成),即用水平和垂直的两个线圈构成真空磁场、约束等离子体的装置。

托卡马克磁约束方案自发布以来,成为了世界可控核聚变研究最热门的方向。迄今为止,世界各国共建造了上百座托卡马克装置。1970年末,我国的托卡马克装置HL-1,也就是俗称的“中国环流器一号”正式立项,1984年完成装置工程联调,1985年正式投入物理实验研究。

1986年,中国环流器一号的初步实验结果在日本京都国际原子能机构主持的国际聚变能学术会议上公布,大会在总结报告中表示了对中国同行的祝贺,受到了国际聚变界的普遍关注。这也侧面证明,这一时期,我国可控核聚变的研究已处于世界领先水平。1992年中国环流器一号关闭后,改进的中国环流器新一号于1994年投入试验运行,直到2001年关闭。接着,中国环流器二号又投入了运行。这些装置的建成和研究,让我国渐渐成为世界上可控核聚变研究的先进国家。

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搞“人造太阳”:原先人家不带我们玩 现在是我们带着人家玩


1985年,美、苏、日和欧共体(欧盟前身)开始筹划建立可控核聚变国际合作项目(ITER),以便这些老牌发达国家能够掌握人类未来能源形势,继续保持技术优势。

很遗憾,那个时候由于我国国力有限,没有加入这个项目的机会。

但强国之间的所谓合作事实证明也是同床异梦。

由于后来苏联解体和欧美日内讧,且各自隐瞒自身关键技术等,这个计划一直没有实质性进展。直到2003年,世界再次面临能源危机,这个项目才再次被人提起。此时的中国,国力相比1985年已经空前提高,而且对先进技术的渴望也越来越强烈。因此,我国携可控核聚变研究的多年成果和经济实力,成为最先加入这个项目的国家。

可控核聚变国际合作项目(ITER)的目的,主要是建造一座托卡马克试验装置,让人类首次实现实验室中的可控核聚变。

原始的托卡马克装置有着其天然的缺点,因为托卡马克装置越是接近实用,需要的磁场就越大,而磁场越大,需要的电流也越大,这简直就是水和面问题的翻版。

但是,由于磁场线圈电阻的存在,使得电流增加到一定程度时,线圈的损耗会急剧增加,甚至会烧坏线圈。这个缺点差点判了托卡马克装置死刑,直到超导技术的出现,才解决这一问题。

国外使用超导线圈的托卡马克装置一共有三台,分别来自法国、俄罗斯和日本。但是这三台装置都只有水平线圈是超导的,而垂直线圈依然是常规线圈。这其中固然有成本的问题,但技术问题还是主要原因。

而世界上第一台全超导托卡马克装置是由我国科学家独立设计和建造的东方超环(EAST),俗称“人造太阳”,它是世界上最早的水平和垂直线圈均为超导线圈的托卡马克装置。不仅如此,东方超环还第一次采用了非圆形垂直截面,在不增加环形直径的前提下增加了反应体的体积;第一次采用了液氦无损耗的超导体系,实现了液氦这种昂贵冷却剂的高效利用;同时还是世界上第一个拥有主动冷却结构的托卡马克装置。

东方超环在2007年建成启动后,一举成为可控核聚变国际合作项目(ITER)最重要和最先进的试验装置,此后,各国科学家纷纷来我国开始科学试验。这也使得我国成为可控核聚变国际合作项目(ITER)的领导者。

东方超环是集我国五十多年可控核聚变研究之大成的装置,该装置自建成以来,就不断开创人类可控核聚变研究的新高度。

2012年,东方超环获得了超过400秒的2000万摄氏度高参数偏滤器等离子体,获得了稳定重复超过30秒的高约束等离子体放电,这改写了国际上最长时间的高温偏滤器等离子体放电和最长时间的高约束等离子体放电的纪录,标志着我国可控核聚变已经代表了国际可控核聚变研究的最高成就。

而本次“东方超环”在全球首次实现了5000万摄氏度等离子体持续101.2秒的长时间放电,再次创造了人类可控核聚变研究的新高度。

东方超环(图片来源于网络)

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廉价、高效、清洁的能源驱动


可控核聚变国际合作项目(ITER)的目标是在欧盟建造一座可持续运行的托卡马克装置,这一装置目前正处于建造过程中。值得一提的是,这个装置虽然比东方超环规模要大,但是不论是其超导线圈技术,还是其非圆形垂直截面,都是参照的东方超环的技术。甚至可以说,东方超环是比该装置早诞生十年的原型装置。

国际可控核聚变装置的非圆形垂直截面(图片来源于网络)

该可控核聚变装置的运行也并不复杂。

超高温等离子体被约束在磁场中,维持可控核聚变发生的超高温条件,接着,少量的氘和氚被作为点火燃料注入至反应体中,发生核聚变反应。核聚变反应生成氦核和中子,并放出聚变能。聚变能大部分被反应堆周围的导热装置吸收并进入能量转换和传输装置,转变为电能,少量的聚变能将继续在反应体中,维持核聚变反应的超高温状态。

此后,只需要持续的向反应体中供应氘,可控核聚变便可以一直持续下去,并源源不断地产生完全清洁的、高效的聚变能。

可控核聚变所需要的燃料氘大量存在于自然界的普通水中(所谓重水即是氘水,重水提取自普通水中),生成燃料氚的锂在自然界中也分布广泛。核聚变反应不会产生有害放射性物质,不会造成环境污染,是人类最理想的能源形势。

未来,可控核聚变终将成为现实,到那时,我们将拥有取之不尽,用之不竭的清洁能源,我们将再也不必担心化石能源枯竭问题,再也不用担心温室气体导致大气变暖问题,也不用担心目前核电的放射性问题。在可控聚变能的基础上,人类将彻底自己的生产和生活方式,我们的生活将被廉价、高效、清洁的能源驱动,快速前进。同时,聚变能将给人类太空探索提供强大的驱动引擎,让星际遨游再也不受动力的困扰,到那个时候,走出地球、殖民太空将不再是科幻小说的情节。

从火把到蒸汽机,再到电气,人类历史上每一次能源革命,都导致了人类文明的革命。未来,谁能率先掌握可控核聚变技术,谁就将引领人类文明的革命。

几十年如一日,我国可控核聚变研究从未落后、从未停滞、不断超越,已经走到了国际可控核聚变研究的最前沿。未来人类必将完全掌控可控核聚变,而从目前各国可控核聚变研究的进展来看,最先掌握可控核聚变技术的国家必然是中国。

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来源:嘉兴在线—嘉兴日报    作者:摄影 记者 冯玉坤    编辑:李源    责任编辑:胡金波
 
 
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