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中國新一代「人造太陽」首次放電
2020年12月4日14時02分﹐被稱為「人造太陽」的核聚變裝置中國環流器二號M裝置(HL-2M)在成都啟動並實現首次放電﹐這標誌著中國自主掌握了大型先進托卡馬克裝置的設計﹑建造和運行技術﹐核電研究能力再次取得重大進步。HL-2M托卡馬克反應堆是目前中國最大﹑最先進的磁約束核聚變實驗研究裝置﹐該項目於2009年由國家原子能機構批復立項﹐由中國核工業集團西南物理研究院(SWIP)自主設計建造﹐科學家們希望該設備釋放強大的清潔能源﹐它使用強大的磁場來約束等離子體發生核聚變反應﹐最高核心溫度可以達到1.5億攝氏度﹐約是太陽核心溫度的十倍。
核聚變能量有許多潛在的吸引力。首先﹐它的燃料氫的同位素是相對豐富的﹐必要的同位素燃料之一「氘」﹐可從海水中提取﹐一公升海水裡提取出的氘﹐在完全的聚變反應中可釋放相當於燃燒300公升汽油的能量﹔而另一種同位素燃料「氚」﹐可通過中子與鋰反應生成﹐在地殼和海水中﹐鋰都大量存在。此外﹐相對於傳統的核反應堆所產生的污染物﹐核聚變產生的核廢料半衰期極短(低管理成本﹑核洩漏時總危害較低﹑最多只有一公里內需要撤退)﹑安全性也更高(不維持對核的約束便會停止反應)。
在太陽內部就是通過原子核的核聚變產生能量﹐把氫原子聚變成氦原子﹐約以每秒鐘6.2億噸氫的核聚變發光發熱﹐這也是受控核聚變裝置被形象地稱為「人造太陽」的原因。
關於核聚變的原理並不神秘﹐1920年就被科學家提出。1940年代﹐用於軍事目的核聚變開始被研究﹐1950年代以後﹐人類轉向探索用核聚變創造能量。根據質能方程﹐原子核中蘊藏巨大的能量﹐原子核之淨質量變化(反應物與生成物之質量差)可造成能量的釋放。
如果是由重的原子核變化為輕的原子核﹐稱為核裂變﹐如原子彈爆炸﹔如果是由較輕的原子核變化為較重的原子核﹐稱為核聚變﹐例如氫彈。其原理看似簡單﹐但要讓核聚變做到精準「可控」﹐讓能量持續穩定輸出難於上青天﹐因為用來發電不能像氫彈那樣一下子釋放完全部能量。
一般條件下氘核與氚核的混合態不會產生持續的核聚變﹐核子必須靠外部能量聚合在一起﹐就算在溫度極高﹑密度極大的太陽中心﹐平均每個質子要等待數十億年才能參與一次聚變。且由於原子核帶正電﹐彼此間會互相排斥﹐所以很難使其彼此互相接近﹐若要克服其相斥的力量﹐就必須適當地控制等離子體的溫度﹑密度和封閉時間﹐此三項條件缺一不可。
由於等離子體很快就會飛散開來﹐所以必須先將其封閉。太陽內部是利用巨大重力使等離子體封閉﹐而在地球上﹐則必須採取別的方法﹐等離子體只有被加熱到了1億度以上才可能實現可控核聚變﹐在地球上﹐沒有任何材料可以把1億度高溫的等離子體給包裹起來﹐而強磁場便是科學家發明的其中一種方式。
當等離子體帶電時﹐電荷被捲在磁力線上﹐因此只要製造出磁場﹐就能夠將等離子體封閉﹐使它們懸浮在真空中﹐利用磁場﹐拘束住高熱等離子體中的帶電粒子﹐使它們進行螺線運動﹐進一步加熱等離子體﹐直到產生核聚變反應。
目前﹐在建的世界上最大的實驗性托卡馬克反應堆為法國南部的國際熱核聚變實驗反應堆(ITER)﹐建設開始於2007年﹐該項目同時由歐盟﹑印度﹑日本﹑中國﹑俄羅斯﹑韓國和美國等七個成員國進行資助和運行﹐歐盟作為ITER設施主辦方﹐貢獻的費用有45％左右﹐中國則承擔了ITER裝置近10%的採購包﹐該設施的目標就是推動等離子體前沿物理實驗研究﹐讓核聚變發電技術大規模應用由期待變成現實。
根據國際熱核實驗堆的設計﹐ITER是要實現從50MW的輸入功率上生產出約500MW的聚變功率﹐長脈衝持續時間為400~600秒﹐通過在其約840立方米的反應室聚變約0.5g氘/氚混合物。專家估計它將在2025年12月進行第一階段測試﹐若實驗成功﹐將協助第一批核聚變發電廠在2040年前投入運行﹐ITER最初預計將耗資約100億歐元﹐但隨著原材料價格的上漲和設計的改進﹐目前投入已超過160億歐元﹐總成本預估將達200億歐元左右。
和平利用核聚變對於每個能源消耗大國來說都是一項重大戰略項目。自上世紀70年代以來﹐中國科學家們也一直在研究開發較小版本的核聚變反應堆﹐集中選擇托克馬克設施為主要科研方向。在中國環流器二號M裝置(HL-2M)之前﹐先後建成並運行了小型CT-6(中科院物理所)﹑KT-5(中國科技大學)﹑HT-6B(中科院等離子體所)﹑HL-1(SWIP)﹑HT-6M(中科院等離子體所)及中型HL-1M(SWIP)等項目。未來十年﹐重點會在EAST和HL-2M兩個主力裝置上開展高水平的實驗研究。
其中﹐中國科學院等離子體物理研究所的先進實驗超導托卡馬克實驗裝置(HT－7U)也被稱為「東方超環」﹐項目後來更名為EAST。2006年9月28日﹐該裝置首次成功放電﹐2017年7月3日﹐實現了穩定的101.2秒穩態長脈衝高約束等離子體運行﹐成為了世界上第一個實現穩態高約束模式運行持續時間達到百秒量級的托卡馬克核聚變實驗裝置。
2018年11月12日﹐EAST首次實現加熱功率超過10兆瓦﹐等離子體儲能增加到300千焦﹐等離子體中心電子溫度首次達到1億度﹐獲得的多項實驗參數接近未來聚變堆穩態運行模式所需要的物理條件。
而HL-2M的建成﹐能利用獨特的先進偏濾器位型﹐開展高功率條件下的邊界等離子體物理實驗﹐特別是探索未來示範堆高功率﹑高熱負荷﹑強等離子體與材料相互作用條件下﹐粒子﹑熱流﹑氦灰的有效排除方法和手段﹐與EAST裝置形成互補﹐將使我國堆芯級等離子體物理研究及相關關鍵技術達到國際先進水平﹐也能快速吸收消化國際熱核聚變實驗堆帶來的前沿技術探索。
在科幻電影中﹐無論是流浪地球中行星發動機﹐還是鋼鐵俠胸口的方舟反應爐﹐亦或是星際迷航中的曲速引擎﹐都讓人們對於強大能量﹑能源的充滿想像﹐而可控核聚變技術則是科學家眼中的能量聖盃﹐且有望在不久的將來照進現實。
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