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作者:吳長鋒 來源:科技日報 發布時間:2021/5/31 9:01:45
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“人造太陽”EAST: 向人類能源終極夢想邁進

 

我們要在沒有任何經驗可借鑒的情況下,造出一個需要同時承載大電流、強磁場、超高溫、超低溫、高真空、高絕緣等復雜環境的裝置,這對工藝設計和材料提出了極高的要求。

宋云濤 科院等離子體物理研究所所長

有“人造太陽”之稱的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置5月28日取得新突破,成功實現可重復的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行,創造托卡馬克實驗裝置運行新的世界紀錄。

地球萬物生長所依賴的光和熱,源于太陽核聚變反應后釋放的能量。而支撐這種聚變反應的燃料氘,在地球上的儲量極其豐富,足夠人類利用上百億年。

如果利用氘制造一個“人造太陽”來發電,人類就能夠徹底實現能源自由。曾經童謠里唱的“種太陽”,正被人類一點點變成現實。

用羽絨服、牛仔褲換來托卡馬克

制造“人造太陽”面臨一個突出的現實問題:用什么容器來承載核聚變?要在地球上利用核聚變能量,在人工控制條件下等離子體的離子溫度需達到1億攝氏度以上。而目前地球上最耐高溫的金屬材料鎢的熔化溫度是3000多攝氏度。這意味著,找不到盛裝如此高溫等離子體的容器。

從20世紀50年代開始,我國與國際基本同步,開始了在可控核聚變領域的研究,并于1965年在四川樂山建成了我國核聚變研究基地——西南物理研究所(今中核集團核工業西南物理研究院)。當時,國際上不同的技術路線此消彼長,最終蘇聯科學家提出的托卡馬克方案異軍突起,國際核聚變界的重點研究方向隨之轉向了托卡馬克。

20世紀70年代,國家擬在合肥建造一個當時世界先進水平的大型熱核反應實驗裝置。選擇合肥的一個重要原因,是科院電工所已于20世紀60年代在合肥建成一個儲能達到2×108焦耳的大型儲能電感裝置(又稱為“八號電感”)。此電感裝置能為熱核聚變裝置的強大脈沖電源提供重要支持。當時策劃中的托卡馬克實驗裝置就被命名為“八號裝置”,向國家申請立項的大科學工程項目就被稱為“八號工程”。

20世紀90年代,我國用羽絨服、牛仔褲、瓷器等生活物資,換了蘇聯價值1800萬盧布的T-7的半超導托卡馬克裝置。當時,經濟情況非常困難,我國科研人員只能依靠自己的力量,對T-7及其低溫系統進行了根本性改造。

通過科研人員的不懈努力,先后建成常規磁體托卡馬克HT-6B、HT-6M等實驗裝置。1994年,我國第一個圓截面超導托卡馬克核聚變實驗裝置“合肥超環”(HT-7)研制成功,使我國成為繼俄、法、日之后第四個擁有超導托卡馬克裝置的國家,也是我國建成并投入運行的首個超導托卡馬克裝置。

1997年11月17日,中國科學院在合肥召開HT-7超導托卡馬克裝置鑒定會,鑒定委員會對建設HT-7裝置的決策和工程設計研制及兩年多的運行實驗情況給予高度評價。

HT-7超導托卡馬克裝置與我國年輕的聚變人一起走過了17個春秋,這期間完成了第10萬次放電。

2013年5月,HT-7正式被中國科學院和原環保部批準退役,成為我國首個獲批退役的大科學工程裝置。HT-7是一個傳奇、一段歷史,也是中國磁約束聚變研究走向世界前沿的見證。

邊設計、邊研發,“人造太陽”在中國點亮

1998年7月,國家“九五”重大科學工程“HT-7U超導托卡馬克核聚變實驗裝置”(即“全超導托卡馬克核聚變實驗裝置”,以下簡稱EAST)正式立項。2000年10月,EAST正式開工建設。

“EAST最大的創新點,是把全超導和非圓截面結合起來,產生穩態和以先進模式運行的等離子體,使研究人員能在穩態條件下對約束改善、破裂控制、粒子輸運、能量平衡、功能材料和雜質控制等實現聚變堆穩態運行所必須面對的重大物理問題進行深入研究。” 在當時的EAST大科學工程團隊的領軍人物萬元熙院士看來,物理上的先進性,必將帶來工程上的巨大挑戰。

在20世紀90年代末,中國聚變工程技術和超導工業十分薄弱,沒有研制大型超導磁體、大型低溫系統的經歷,國際上尚沒有任何一個國家研制和建造過全超導托卡馬克裝置。

萬元熙院士帶領團隊發揚“沒有條件創造條件也要上”的精神,在簡陋的實驗室內成功制造出關鍵部件和設備,整個項目自研率達90%以上。

“我們要在沒有任何經驗可借鑒的情況下,造出一個需要同時承載大電流、強磁場、超高溫、超低溫、高真空、高絕緣等復雜環境的裝置,這對工藝設計和材料提出了極高的要求,比如芯部的等離子體溫度高達一億攝氏度,線圈中的溫度卻要求達到零下269攝氏度,項目難度可見一斑。”科院等離子體物理研究所(以下簡稱等離子所)所長宋云濤告訴科技日報記者,為了達到聚變實驗裝置所要求的條件,EAST團隊的科學工作者自主創新,自主設計、研發了大部分具有我國自主知識產權的關鍵技術,創造性地完成了EAST裝置主機的總體工程設計。

研制EAST過程中,許多關鍵技術取得突破并達到國際先進水平,同時也填補了多項國內空白:大型超導磁體關鍵制造技術的研發,成功地生產出了EAST所需的全部超導磁體;創造性地設計、建成了國內最大的大型超導磁體測試實驗系統;創新性地設計、建造了我國最大的氦低溫系統,制冷能力超過2kW/4.5K……

“EAST裝置建設,瞄準世界前沿,高標準、嚴要求地完成了國家大科學工程建設任務。同時,嚴格質量管理,創新性地建立和運行EAST質量管理體系。”宋云濤說。

到2005年底,EAST完成了主機總裝以及各分系統的研制和安裝工作。2006年3月,成功進行了首次工程調試。2006年9月26日,EAST首輪物理實驗成功獲得高溫等離子體。

歷經8年艱苦奮斗和自主創新,世界上新一代全超導托卡馬克核聚變實驗裝置在中國率先建成并正式投入運行,為未來清潔能源的利用和發展提供實驗研究平臺。2006年1月,EAST實現電子溫度超過5000萬攝氏度,兩年后又實現電子溫度1億攝氏度等離子體運行,而太陽核心的溫度也不過1500萬攝氏度。EAST性能逐步提升。2006年,首次等離子體放電成功,時長僅僅3秒;2017年7月,實現了穩定的101.2秒穩態長脈沖高約束等離子體運行,創造了新的世界紀錄。

2007年3月1日,國家發改委組織專家對EAST進行竣工驗收。專家們認為,中國科研人員在國際上尚無全超導托卡馬克的情況下,邊建設、邊研發,解決了大型超導磁體、大規模低溫制冷等一系列關鍵技術問題,自主設計、加工制造了關鍵部件,形成了一系列高新技術成果。時任國家發改委副主任張曉強在驗收會上指出:EAST大科學工程全面、優質地完成建設任務,是我國科技界的一件大事,是中華民族值得驕傲的成就。

從“科學島”到“世界聚變舞臺的中心”

在安徽省會合肥市西郊,有一座面積不到3平方公里、三面環水的半島。這里就是中國核聚變最重要的研究基地——等離子所所在地。EAST也棲身于此。

走進EAST大廳,看到的是一片緊張有序的場景,本年度的等離子體物理實驗即將開啟,劍指新的世界紀錄。

在對受控熱核聚變探索過程中,越來越多國家的科研人員認識到,“人造太陽”科學裝置規模大、建設周期長、投資成本高,任何一個國家“關起門來搞建設”都無法解決所有難題,必須“聚四海之氣、借八方之力”。

1985年,美蘇首腦為此提出了國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃。但在2001年之前,這個“俱樂部”一直將我國拒之門外,其中主要原因是我國的科研水平還不高。但隨著EAST研制工作推進,這個局面逐漸改變。

2001年,由于美國退出,ITER成員國出于分攤經費的考慮,希望擴大參與國的范圍。我國借此再次申請加入,2003年,正式以“平等伙伴”身份加入了ITER計劃談判——加入這個高“入門會費”的俱樂部,每個成員國要至少承諾10%的投入,約合人民幣100億元。

“加入ITER計劃前,國際主流聚變會議上,幾乎沒有我們的聲音。如今,越來越多我國學者獲邀在大會作主題報告、口頭報告,甚至擔任會議主席。”宋云濤說,加入ITER計劃后,我國逐漸走向世界聚變舞臺的中心。

國際聚變能大會,是核聚變領域的奧林匹克。像宋云濤這樣的我國學者,曾經是無緣進場的。而今,等離子體所已連續10年被大會特邀作主題報告;這一領域的國際頂級雜志,連續多年都以封面故事形式介紹等離子體所年度研究工作。越來越多雙眼睛在關注這顆來自“島”上的“太陽”。位于法國的ITER總部也正期待著中國“小太陽”帶來更多光和熱,把“人造太陽”從夢想變為現實。

借助我國首個偏濾器位型的核聚變實驗裝置(HL-2A)和EAST這兩個大科學裝置,我國與全球120多個聚變研究機構建立了合作。每年平均有500人次國際專家訪問我國,開展與我國相關聚變研究機構的合作研究。

回顧過去,人類認識核聚變的路已經走了很久。有人問:“在我們的有生之年,能不能看到一個真正的‘人造太陽’?”

中國工程院院士李建剛坦言,要將成果真正投入商用、變成每家每戶可以用的電,可能至少還需要幾十年,但他堅信:“在我的有生之年,一定有一盞燈能被聚變之能點亮。這一盞燈,一定要,也只能在中國。”

 
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