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《流浪地球》黑科技成现实?

中国“人造太阳”工程启动安装

   “人造太阳”及氘氚核聚变反应模式想象图。/据美国宇航局NASA
   科研人员在主机线圈系统装置内部检查。

  还记得年初引爆话题的中国科幻电影《流浪地球》吗? 电影中人类为了逃离太阳的衰老的危机,在地球上建立了众多的如山一样高的核聚变发动机,这些黑科技能制造巨大的能源动力,从而驱使地球离开太阳系。核聚变发动机也给很多人留下了深刻的印象,但实际上它并非只是科幻产物,而是真的要出现在现实中了。

  日前,国环流器二号M总体安装工作在中核集团核工业西南物理研究院启动,装置的主机线圈系统完成交付,环流器二号M装置工程正式拉开序幕。环流器二号M装置是我国最大的超导托卡马克装置,即是通过核聚变释放能量,使其成为新的能源的装备,核聚变产生能量的原理与太阳发光发热相似,因此在地球上以探索清洁能源为目的的可控核聚变研究装置,又被称为“人造太阳”。

  我国“人造太阳”工程全面启动安装

  6月5日,伴随着主机线圈系统的交付,位于四川成都的我国新一代可控核聚变研究装置“中国环流器二号M”的全面工程安装拉开序幕。

  “中国环流器二号M”是我国新一代的可控核聚变研究装置,由中核集团核工业西南物理研究院承建,是开展聚变堆核心技术研究的关键平台。

  6月5日下午,在“中国环流器二号M”装置的建设现场,由东方电气集团东方电机有限公司制造的该装置主机线圈系统正式交付,这也标志着“中国环流器二号M”装置的全面工程安装拉开了序幕,安装工作由华西集团四川省工业设备安装公司承接。

  据介绍,主机线圈系统是该装置的核心部件之一,该系统中心柱的研制是最具挑战性的任务之一,其由20组环向场线圈中心段组件和中心螺旋管线圈装配而成,总体重量约90吨。该中心柱制造难度大,工艺精度要求极高,在高冲击载荷条件下其运行寿命要求不低于10万次。

  核工业西南物理研究院院长刘永说:“与国内同类装置相比,‘中国环流器二号M’ 装置采用了更先进的结构与控制方式,等离子体温度将有望超过2亿摄氏度,该装置将为我国参与国际热核聚变实验堆相关实验与运行以及未来自主设计建造聚变堆提供重要技术支撑。”

  中国智慧点亮世界最大“人造太阳”

  受控核聚变研究一旦成功,受益的无疑是整个人类社会。因此,它需要世界各国共同推动、共同研究。正是基于这样的理念,“国际热核聚变实验堆计划(ITER)”诞生了。

  ITER 是规模仅次于国际空间站的一项重大的多边大科学国际合作计划,旨在建立世界上第一个受控热核聚变实验堆。成立于2007年的ITER组织,由欧盟、中国、美国、俄罗斯、韩国、日本和印度参与。

  “ITER是世界上在建的最大、最复杂的托卡马克装置,也是技术最先进的‘人造太阳’。它的体积接近天坛祈年殿的尺寸,高30米,直径28米,重达1万吨。”刘永介绍。

  在七方共同努力播种“太阳”的进程中,中国的表现十分突出。

  据刘永介绍,自2010年12月以来,他们联合国内多家企业组成的团队,先后完成了从材料到制造工艺的系列认证,以及ITER磁体支撑采购包的生产制造任务,取得多项关键技术的重大突破,最终获得ITER国际组织的认可,为和平利用核能和人类可持续发展贡献了中国智慧和中国方案。

  ITER组织总部位于法国南部的圣保罗-莱迪朗斯小镇,数千名来自不同国家的科学家、工程师和管理人员在这里埋头“筑梦”,当然也少不了中国科研人员的身影。

  曾在ITER法国总部工作了近10年、最近刚回国的核工业西南物理研究院聚变科学所副总工程师周才品认为,中国在国际合作过程中,提升了科技创新能力、高端制造水平、国际项目管理能力和专业技术人才培养能力,为中国聚变堆建设提供强有力的技术及人才储备。

  “通过参与ITER计划,中国在可控热核聚变领域的整体水平有了很大提升,部分技术已达到国际领先水平。”周才品说。

  目前,中国已交付了组建国际热核聚变实验堆所需的馈线、磁体支撑等多种重要部件,有利于相关实验如期顺利开展。

  ITER组织总干事贝尔纳·比戈此前曾多次表示,中国是这一世界最大“人造太阳”项目非常好的合作伙伴,中国交付相关产品按时保质,堪称合作各方的榜样。

  “人造太阳”成人类理想的终极能源

  能源危机被认为是人类社会发展面临的最大难题。地球上的煤炭、天然气、石油等化石能源终将枯竭,人类未来的命运聚焦在寻找更加持久的清洁能源上。

  100多年前,爱因斯坦提出了 著 名 的 质 能 转 换 公 式E=mc2,揭开了核能的面纱。

  当前,核电站利用的核能都是核裂变——由较重的原子核(例如铀)裂变成较轻的原子核,从中释放出能量。然而,铀矿的储量有限,长远看难以满足人类的需求。

  核聚变的过程正相反,而且单位质量下释放的能量比裂变高得多。太阳的光和热,就来源于氢的同位素氘和氚在聚变成氦原子过程中释放出的能量。

  “与核裂变相比,核聚变的安全性高,废料处理成本低,原料更易获得。”刘永告诉记者,氘在海水中储量极为丰富,氘氚反应产物没有放射性,核聚变反应堆不会产生污染环境的硫、氮氧化物及温室气体。

  有计算表明,从一升海水中提取出的氘,在完全的聚变反应中可释放相当于燃烧300升汽油的能量。海洋中蕴藏了约40万亿吨氘,理论上用于聚变反应释放的能量足够人类使用上百亿年,几乎无穷无尽。

  这意味着,如果受控核聚变(“人造太阳”)能大规模实现,将从根本上解决人类的能源危机。聚变能源,就是人类梦寐以求的安全经济高效持久能源。

  延伸阅读

我国已制定核能“三步走”发展战略

  我国在上世纪50年代就开始了对核聚变的研究。随后在1965年,核西物院在四川建立,成为了我国最早的聚变研究专业院所,并先后建立了角向箍缩、仿星器、磁镜、反场箍缩等不同类型的装置。

  上世纪70年代末到80年代初,我国开始对托卡马克型装置上进行了重点研究。1984年,在核西物院建成的中国环流器一号(HL—1)成为我国自主设计建造的第一个聚变大科学工程装置,荣获国家科学技术进步一等奖,标志着我国受控核聚变研究进入大规模物理实验阶段。

  而在上世纪90年代,我国也制定了热堆、快堆、聚变堆的“三步走”核能发展战略。可以说,为了实现发展战略中的第三步,我国科学家们已投入半个世纪时间去探索研究。

  当然,研究核聚变的事业并不是一路坦途。“核聚变技术还面临诸多问题等待我们去解决。”在谈及核聚变研究目前的瓶颈时,刘永坦言。

  “2亿摄氏度以上的高温、长时间约束在有限的空间中、足够高的密度是受控核聚变的三大条件。而在如此高的温度下,物质已经成为等离子体,这是除固体、液体和气体之外的第四种形态,我们对于该形态的认知还有待加强,而如何约束等离子体,也成为核聚变实验的重中之重。另外,还有核聚变装置的材料选择等方面的问题,都需要我们去探索研究。”刘永表示。

  我国核聚变能发展战略规划

20世纪 90年代 我国制定了“热堆”“快堆”“聚变堆”三步走的核能发展战略。

  2006年

  国务院印发《国家中长期科学和技术发展规划纲要 (2006~2020年)》,讲磁约束核聚变列为先进能源技术。

  2016年

  国务院印发《“十三五”国家科技创新规划》,将“磁约束核聚变能发展”列入了战略性前瞻性重大科学问题,拟通过聚变堆关键科学技术的创新和突破,抢占世界核聚变能发展制高点。

  2017年

  《“十三五”核工业发展规划》发布,规划中明确“进一步增

  强磁约束核聚变技术研发能力,打造我国磁约束核聚变的

  核岛设计研究中心”。

  我国磁约束核聚变发展思考与阶段目标

  实验堆

近期(2025年前)

  增强核聚变技术研发能力,打造我国磁约束核聚变堆的核岛设计研究中心,发展聚变堆关键核心技术。

  工程堆

(2025~2035年)

  解决聚变工程实验堆关键核心技术,具备自主建设聚变工程实验堆的能力,建设聚变工程试验堆。

  原型电站

远期(2035年后)

  完成聚变示范堆工程关键技术及材料实验验证。建设运行中国聚变示范堆。

  (资料来源:中核集团核工业西南物理研究院)

  (文/图综合新华社、新华网)

            

 
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