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1.2亿摄氏度燃烧101秒中国人造太阳创造新世界纪录自主聚变工程实验堆迈出坚实一步

放大字体  缩小字体 2021-05-31 16:08:37 来源:新浪科技综合
1.2亿摄氏度燃烧101秒中国人造太阳创造新世界纪录自主聚变工程实验堆迈出坚实一步

  来源: DeepTech深科技 

  “朝着正确的方向,我相信很快 EAST 还会有 500 秒、1000 秒!” 谈及EAST 的最新成果,在国际热核聚变实验堆(ITER)总部从事研发工作的史善爽告诉 DeepTech。

图 | EAST 本次取得的成绩(来源:新华社)

  5 月 28 日凌晨,中科院合肥物质科学研究院 EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)全超导托卡马克装置控制大厅传来喜讯,正在开展的第 16 轮 EAST 装置物理实验,实现了可重复的 1.2 亿度 101 秒等离子体运行、以及 1.6 亿度 20 秒等离子体运行,再次创造该实验装置的最新世界纪录。

图 | 5 月 28 日凌晨重大物理实验成果现场之一(来源:中科院等离子体物理研究所)

  谈及为何在凌晨完成,参与本次研究的中科院等离子体物理研究所博士生闫广厚表示:“不是非要选在凌晨,是因为干到那时候了,都不愿意放弃,其实第二天白天再接着做也行。”

  EAST 又叫 “东方超环”,2020 年 6 月 EAST 启动升级改造,如今历时一年其性能得以全面提升,并在物理实验中攻克了稳态高功率加热、非感应的高电流驱动、高精度等离子体实时控制、高热负荷等离子体与壁材料相互作用等系列技术难题。

图 | 5 月 28 日凌晨重大物理实验成果现场之二(来源:中科院等离子体物理研究所)

  本次 1.2 亿度 101 秒等离子体运行的实现,将去年 EAST 物理实验实现的 1 亿度 20 秒的世界纪录提高了 5 倍,这说明 EAST 的综合研究能力获得重大突破,标志着中国在稳态高参数磁约束聚变研究领域开始引领国际前沿。

 图 | “人造太阳” 聚变反应堆内部热像(来源:中科院合肥物质科学研究院)

  本次成果也进一步证明了核聚变能源的可行性,对此史善爽告诉 DeepTech,核聚变目前面临一项核心问题,就是如何稳定地把上亿度的反应持续进行。

  在此前实验里,EAST 分别获得过一亿度等离子体和一百秒以上长脉冲运行这两项成绩,本次实验的意义在于同时实现一亿度和一百秒,而在一亿度这个量级上之前,聚变装置的运行记录是 20 秒。单从数据上看,这很明显是一种飞跃。

  对于数据背后的意义,史善爽剖析称:20 世纪 90 年代,在部分聚变装置的高参数运行取得成果后,此后多年科学家们都致力于将这种高参数聚变反应加以稳定和持续。为此,聚变装置的磁体也从常规磁体、升级到超导磁体,而 EAST 就是全球首个全超导托卡马克。

图 | 中国 EAST “东方超环” 超导托卡马克装置(来源:中科院等离子体物理研究所)

  此外,还需从材料等方面提高装置第一壁的耐热能力,比如采用钨铜偏滤器、增加主动冷却等。另外,还要不断优化等离子体控制技术。而这些技术都在本次 EAST 的实验上得以成功应用和验证。

  史善爽表示,聚变可行性的背后有着关键技术的支撑,这说明我们的方向是对的。再往后,我们还有下一代中国聚变工程实验堆 CFETR 和国际热核聚变实验堆 ITER,这两个装置体量更大,相同技术也会得到更具突破性的成就。届时,距离聚变能源的终极目标也就越来越近了。

 图 | 史善爽在国际热核聚变堆的装配大厅(来源:受访者)

  实验成功后,前文的闫广厚在社交媒体写了一篇文章,他写道:“前路依然漫漫,盘点核聚变有一个著名的 ‘劳逊判据’,简而言之就是核聚变发电能都实现,这主要得看等体温度、密度和约束时间三项。本次实验,不管是温度还是约束时间都是非常高的。当然,密度现在远远不够,在 10 的 19 次方这个量级。所以,意义有,但距离还远。”

  发明 “人造太阳” 去干预 “不稳定”

  核聚变能具有资源丰富、无碳排放和清洁安全等优点,因此它是人类未来理想的清洁能源之一,还可为碳中和作出重要贡献。

  众所周知,太阳能发出能量,这种能量来自氢原子核,氢原子核之间会发生相互作用,从而产生核聚变,进而释放光和热。但是不是每天都有太阳,因此这种能量并不稳定。

  天气是不可抗力,我们无法干预。但是模仿上述原理,发明一个 “人造太阳” 去干预这种 “不稳定”,正是人类的智慧所在。

  要想获得无限清洁的能源,“人造太阳” 就得扛得住上亿摄氏度的超高温,还要控制氘(dāo)聚变和氚(chuān)聚变,从而让它们持续稳定地输出能量。

图 | 5 月 28 日凌晨重大物理实验成果后召开的晨会(来源:中科院等离子体物理研究所)

  而制造托卡马克(Tokamak)环形容器,能利用磁约束来实现受控核聚变。科学家发现,在该装置上把氘氚的聚变燃料,加热到几亿摄氏度,即可发生大量热核聚变反应,并且是受控制的反应。

  原理已经弄清楚,但是要想实现核聚变发电,所面临的两个难题也和原理息息相关:即如何长期稳定地控制热核聚变反应?以及如何实现上亿摄氏度点火?

  其中,上亿度等离子体的长时间维持尤为困难,这需要将诸多要素进行高度集成和有机结合,如上亿度等离子体与 - 269℃ 超导磁体、高热负荷等离子体与壁材料相互作用、动态精密控制等多项极端条件。由于难度过大,此前国际上超过 1 亿摄氏度的等离子体运行最长持续时间只有 20 秒。

 图 | “氘 - 氚(D-T)” 的核聚变反应产生氦(He)与中子(n)并释放核能(来源:网络)

  而本此成果也是 EAST 装置首次在国际上采用全金属主动水冷第一壁、高性能钨偏滤器、稳态高功率波加热、等离子体位形精密控制等关键技术,也就是说本次成果验证了未来聚变堆必须采用的关键技术。

  作为磁约束核聚变实验装置,EAST 装置具备与国际热核聚变实验堆(ITER)类似的加热方式和偏滤器结构的,也是全球唯一一个和 ITER 类似的装置。

  它还是唯一能在百秒量级条件上全面演示和验证 ITER 未来 400 秒科学研究的实验装置。其所取得的系列成果,将为中国自主建造聚变工程实验堆提供坚实科学技术基础。

  但是,很多人只熟悉 EAST 如今辉煌,却鲜少知道立项之初的艰辛,这里洒满了上一辈科学家的心血。

  “十年磨剑终成器,聚变曙光耀东方”

  1998 年,国家发改委委员会批准立项 EAST,中科院等离子体物理研究所耗时十年辛勤耕耘。最终在2007 年 3 月 1 日,作为“九五” 期间的国家重大科技基础设施,EAST 正式竣工。

  当时验收 EAST 的是该项目的总负责人、中国工程院院士万元熙,他对媒体表示,与国外同类装置相比,该团队已建成的装置使用资金最少、建设速度最快、自主创新最多。

 图 | 万元熙(来源:网络)

  中科院原院长、中科院院士白春礼在竣工致辞中评价称:“十年磨剑终成器,聚变曙光耀东方。”

  万元熙生于 1939 年,EAST 验收时他已经 68 岁,早在几十年前,万元熙曾参加过托卡马克的国际会议,他曾回忆称:“以前我们与发达国家有很大差距,出国口袋里没有一点钱,根本谈不上社交”。而当初向国家提出建造先进 EAST 计划时,这一想法颇为时髦,但他说:“我提出很多大胆的改革思路,年轻人说我不像是位老同志。我引领‘新潮流’,是所里第一个贷款买车的。”

  20 世纪 50 年代,前苏联发明了托卡马克装置。后续几十年的发展中,科学家们一般使用圆截面来制作托卡马克装置,而万元熙做了一个冒险的决定,要做全超导、非圆截面的托卡马克。

  他说:“我的冒险有理论根据。一是世界上已经有模型线圈作了相关实验,证明托卡马克可以承受一定量的快速磁通变化;二是物理上也有其他可采用的办法,能够用来降低超导托卡马克对其快速磁通变化的要求。就像是走路,如果前头是一面墙,人肯定穿越不过,但即使前面只有一条小路,人也能够通过,如果这面墙是纸糊的,人就很容易穿越。” 最终,EAST 选择了非圆截面。

  2006 年 10 月,成都国际聚变能会议上,万元熙作了题为《EAST 项目进展概况及未来规划》的开幕演讲,介绍了 EAST 的相关成绩。

  来自美国的 Goldstone 教授也参加了该会议,以往类似场合他都坐在第一排,经常在专家演讲结束后提出尖锐问题。但这次他站起来并表示:“我建议我们全体起立,为中国的 EAST 热烈鼓掌祝贺!”

  现任 ITER 组织总装首席总工程师武松涛,是 EAST 的装置主机负责人,他毕业于华中工学院(现华中科技大学)光学工程专业,依靠自学开始研究聚变实验装置,并在 20 世纪 90 年代伊始参与建造了中国首个超导托卡马克实验装置合肥超环(HT-7)。

 图 | EAST 的装置主机负责人武松涛(来源:中科院合肥物质科学研究院)

  合肥超环(HT-7)建成后,他也参与提出建造 EAST,其曾表示:“中科院希望能有年轻的科研人员参与项目,所领导到院里汇报工作有年轻人他们就高兴,如果只是所领导自己,院领导就苦脸相对。我介入装置总体设计,跟着霍裕平、万元熙、翁佩德几位老领导跑,他们都比我大 20 岁左右。我参加了院里及国家组织的几十次项目方案论证,我作总体方案这部分报告。有关部委领导看了 HT-7U(EAST 原名)都说,项目本身不错,但工程要持续那么久能否做到后续有人?大科学工程给了我成长的机会,我感谢老同志对我的信任和培养。”

  最初他们提出用 2000 万美元建造 EAST,国内外很多专家纷纷表示质疑,多少次方案汇报和论证都是在 “争吵” 中度过,但这些 “不顺” 反而历练了武松涛。

  EAST 各个关键部件的结构,早已清晰镌刻在 EAST 团队成员的大脑中。没有记录,就没有发生。为了让后辈有可参考的资料,从 1998 年到 2001 年,武松涛和同事每年出一本装置设计的文集,序言由他亲自撰写,其一是为了记录工作,其二是希望给后来者留下参考文献。

  EAST 中含有 600 多个绝缘子,万元熙曾打比方说,这些绝缘子好比人脑中的毛细血管,一个破裂没准就会脑瘫痪。当时他们的绝缘子技术还不够熟悉,武松涛虽然早年在国外参观过托卡马克的绝缘子,但外国团队不愿透露研制技术。彼时的绝缘子也贵得离谱,一个就要 1400~1600 美金,算下来 EAST 光绝缘子造价,就得 90 万美金左右。

  他们一开始想使用 T-7 装置卸下来的绝缘子,该装置是中科院合肥研究院等离子体所从俄罗斯买来的。苏联解体前夕,俄罗斯库尔恰托夫研究所所长卡多姆采夫(Kadomtsev)写信给时任核工业西南物理研究院院长李正武,称愿通过国际合作方式,将价值百科 1500 万美元的 T-7 装置赠送给中国,该信被转交到时任合肥等离子体所所长的霍裕平所长。

  当时,该所领导班子果断决定接收 T-7 装置,1991 年双方签订协议,后面三年间虽然所里经济比较困难,但全所主要人力、财力都投入到 T-7 装置的改造上,并最终改造出当时中国第一个、世界第四个超导托卡马克装置,即前文提到的合肥超环(HT-7)。

  说回 EAST 的绝缘子,如果使用俄罗斯 T-7 卸下来的,陶瓷材料不符合 EAST 的要求。本想找国内合作伙伴做绝缘材料,但是考虑到经济效益,没有人愿意接。

  当时 EAST 团队的潘皖江只好自己上手干,他曾表示:“绝缘子前后研发了 3 年,自己做了两年。我们只能自力更生,在实践中摸索着干。” 因为成功率较高,他还申请了专利,他说:“对外说我们的成功率达到 90%,人家一般不相信,怎么可能那么高呢?我还没好意思跟他们说,我们的成功率甚至高达 99% 呢!”

 图 | EAST 内部结构(来源:网络)

  此外,在当时 EAST 总工艺师高大明的指导下,CICC 生产线的建成也为 EAST 的超导磁体绕制、超导磁体实验等奠定了基础。负责主抓 EAST 质量的他曾说:“我们的学生在国外,别人问起 EAST 怎么做,他完全可以应答如流。过去发达国家与我们合作纯粹是为了省点加工费用,现在我们 EAST 的整套经验对它们有用。”

 图 | 着白 T 恤者为闫广厚(来源:新华社)

  高大明所讲的“应答如流”,在闫广厚身上有着很好的体现,他目前是该所的一位 95 后博士生——和武松涛一样热爱用文字记录科研历程,这样来看武松涛之前担心的 “后继无人” 似乎并未出现。

  在文章中,闫广厚骄傲写道:“很多人都知道核聚变需要 50 年才能实现的这个‘梗’,其实随着国家这些年的不断投入,以及更多的装置落地实现,真的有种感觉,永远的 50 年正在变为 49 年。。。。。。也许中国核聚变实现之时,就是世界风云变化之日。”

 图 | 中国科学院等离子体物理研究所(来源:闫广厚)

  在那篇文章最后,闫广厚晒了好几张研究所的风景图,他希望更多 90后甚至 00 后可以像他一样,也来这里做中国核聚变。

原标题:1.2亿摄氏度燃烧101秒中国人造太阳创造新世界纪录自主聚变工程实验堆迈出坚实一步

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