刷新世界記錄！中國“人造太陽”實現(xiàn)重大突破！

“人造太陽”，也叫“托卡馬克”裝置,是一種由人類控制的、模擬太陽在發(fā)光發(fā)熱過程中發(fā)生的一系列反應(yīng)而制造出來的核聚變研究裝置，是可控核聚變技術(shù)的未來應(yīng)用方向之一。

“人造太陽”，不光清潔、高效，還能在事故發(fā)生時立即自發(fā)停止反應(yīng)，因為維持反應(yīng)所需的條件非常苛刻。

但讓聚變反應(yīng)穩(wěn)定進行成了一道難題，這對等離子體控制技術(shù)提出了很高的要求。最近，中國科學(xué)家們朝著攻克這道難題邁出了一小步。

西物院的“高約束模式”

中核集團核工業(yè)西南物理研究院（簡稱“西物院”）宣布，8月25日，“中國環(huán)流三號”托卡馬克裝置（HL-2M）首次實現(xiàn)100萬安培等離子體電流下的高約束模式運行。

這項突破是核聚變裝置綜合能力的體現(xiàn)，也是我國核聚變能開發(fā)進程中的重要里程碑。此前在2022年11月，西物院就宣布HL-2M等離子體電流首次突破100萬安培。這次實現(xiàn)的“高約束模式運行”，究竟有怎樣的意義？

高約束模式是一種先進的反應(yīng)堆運行模式，由德國科學(xué)家弗雷德里?！ね吒窦{（Friedrich Wagner）在1982年率先提出。

和更早的一些運行模式相比，在加熱等離子體以達到聚變條件的過程中，高約束模式能大幅增加等離子體的密度和儲能，將聚變反應(yīng)的效率提高數(shù)倍。高約束模式的發(fā)現(xiàn)帶來的最直接影響，就是可以縮小聚變反應(yīng)堆的規(guī)模，節(jié)約建設(shè)成本。這也是正在建造的國際熱核聚變實驗堆（ITER）選擇的標(biāo)準運行模式。

建設(shè)中的ITER（2018年拍攝）

圖片來源：wikipedia

未來的核聚變反應(yīng)堆需要在百萬安培量級的電流下，以高約束模式穩(wěn)定運行。具體而言，要實現(xiàn)核聚變反應(yīng)的應(yīng)用，需要使反應(yīng)產(chǎn)出的能量大于消耗的能量，并且有足夠的能量維持反應(yīng)穩(wěn)定進行，這些判斷標(biāo)準稱為“勞森判據(jù)”。

這次實驗的成功意味著距離通過勞森判據(jù)又近了一步。為了取得這項成就，“（研究團隊）今年就突破了三大關(guān)鍵技術(shù)難題，包括大電流下的高約束模式運行控制，高功率加熱系統(tǒng)注入耦合，以及先進偏濾器位形控制方面”。西物院控制與信息技術(shù)研究室主任副研究員李波在接受新華社采訪時介紹。

未來的研究方向

西物院計劃在高約束模式下進一步提升參數(shù)，例如將等離子體溫度提升到1億攝氏度。在未來，HL-2M還將把等離子體電流能力將提高到250萬安培以上。

HL-2M 100萬安培等離子體運行實拍畫面

圖片來源：新華網(wǎng)

勞森判據(jù)主要取決于三個核心參數(shù)：燃料的離子溫度、等離子體密度和能量約束時間。

科學(xué)家正在嘗試逐個提高這些指標(biāo)，不斷接近實現(xiàn)可控核聚變應(yīng)用的目標(biāo)。在運行時間方面， “東方超環(huán)”全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）在今年4月創(chuàng)下世界紀錄，成功實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式等離子體運行403秒。

在人類歷史上，核聚變研究已經(jīng)走過了一百多年的歷程。最近20多年，隨著HL-2M等大型實驗裝置紛紛建成，科學(xué)家正在不斷沖擊新的目標(biāo)，致力于在2050年實現(xiàn)能源化利用。

參考資料

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[2] 董家齊. 托卡馬克高約束運行模式和磁約束受控核聚變[J]. 物理, 2010, 39(06): 400-405.

[3] 段旭如. 科技日報. 提高三乘積，讓可控核聚變走向現(xiàn)實[EB/OL].http://www.news.cn/science/2022-11/08/c_1310674449.htm.2022-11-08/2023-09-06.

[4] 中國核工業(yè)集團有限公司. 重大突破！我國掌握可控核聚變高約束先進控制技術(shù)[EB/OL].https://www.cnnc.com.cn/cnnc/xwzx65/ttyw01/1365133/index.html.2023-08-28/2023-09-06.

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來源丨“科協(xié)之聲”微信公眾號

作者丨戚譯引 科普作者

責(zé)編丨金禹奮