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已經(jīng)有一個太陽了,為啥還要研究“人造太陽”?丨大國科技范

北京科學中心
原創(chuàng)
北京科學中心(北京青少年科技中心)科普號
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審核專家:甘強北京理工大學講師,應用化學博士

“人造太陽”再次刷新紀錄,國產(chǎn)大型客機C919實現(xiàn)商業(yè)運營,新疆鹽堿地海鮮大豐收,醫(yī)用重離子加速器投入臨床應用,首艘國產(chǎn)大型郵輪“愛達·魔都號”試航成功,世界最深地下實驗室等待暗物質“造訪”......2023年,我國科技不斷取得新突破,為人類生活和發(fā)展帶來了新的可能性和機遇。

在建國74周年之際,數(shù)字北京科學中心為大家?guī)砹颂貏e欄目“大國科技范”,讓我們回顧一下今年在黨的領導下所取得的科技成果。

2023年8月25日,中核集團下西南物理研究院宣布,新一代“人造太陽”“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,其以太陽內(nèi)部的核聚變反應為基礎原理,反應后可以釋放龐大的能源。

中國環(huán)流三號的CAD繪圖 來源:維基百科

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?

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“人造太陽”的研究意義與運行原理是什么?

“人造太陽”其實是大規(guī)模熱核聚變反應堆,其核心技術為核聚變技術。核聚變是一種將輕元素(如氫)在高溫、高壓條件下融合成重元素(如氦)的過程,通過聚變反應,釋放出龐大的能量。這種通過人工聚變反應釋放能量的形式和在恒星太陽中發(fā)生的核聚變反應十分相似,因此被稱為“人造太陽”。

氘-氚的核聚變反應產(chǎn)生氦與中子 來源:維基百科

核聚變實現(xiàn)的條件十分嚴苛。在太陽中,核聚變過程是在極高溫度(數(shù)百萬攝氏度)和極高壓強下發(fā)生的,這兩種條件缺一不可,科學家們在地球上使用了強大的磁場和等離子體來模擬這些條件。

等離子體是一種高溫氣體狀態(tài),通常是由氫同位素(如氘和氚)組成的,是由部分原子及原子團被電離后電子被剝奪產(chǎn)生的正負離子組成的離子化氣體狀物質,科學家用磁場來控制帶電的等離子體運動,防止其接觸到容器殼體,從而造成裝置損壞等嚴重后果。

為了讓等離子體達到所需的高溫,科學家們使用各種加熱系統(tǒng),如激光、微波或射頻加熱器等。當?shù)入x子體達到足夠高的溫度和壓力時,核聚變反應開始發(fā)生。這個過程將氫同位素核融合成更重的元素,通常是氘-氚反應,產(chǎn)生氦和中子,并釋放出巨大的能量。
一旦核聚變發(fā)生,釋放出的能量需要被捕捉和利用。這些能量通過反應室周圍的熱交換設備,轉化為電能。

雖然目前尚未建成商業(yè)化的可控核聚變電站,但國際合作項目,如國際熱核聚變實驗堆(ITER),正在積極推進這一目標的實現(xiàn)。

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“人造太陽”的研究進展

“國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃”就是“人造太陽”的官方名稱,是全球規(guī)模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一,ITER裝置是一種超導磁約束聚變裝置,也被稱為“托卡馬克”,可用于大規(guī)模核聚變反應。中國于2003年1月正式加入ITER計劃談判,于2006年5月,中國ITER談判聯(lián)合小組與歐盟、印度等六方共同簽署了合作協(xié)定,并在2006年自行設計和研發(fā)出世界上第一個全超導磁約束聚變裝置,于2007年通過國家驗收。

我國參與ITER計劃的決策,既是為提升我國基礎物理的科研水平,也是考慮長遠的能源需求與環(huán)境情況,以確保有能力開發(fā)高效清潔的未來能源,保證我國社會可持續(xù)發(fā)展。

ITER的托卡馬克裝置的小型模型 來源:維基百科

2020年7月28日,國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃重大工程啟動儀式在法國總部舉行。

2020年12月28日,韓國的超導托卡馬克高級研究開創(chuàng)了一個新的世界記錄。該超導磁約束聚變裝置成功維持了等離子體在超過1億攝氏度下的高溫狀態(tài)長達20s。

而今年5月28日的凌晨3時2分,在我國科研人員長達40年的埋頭苦干后,“中國環(huán)流三號”全超導磁約束聚變裝置在1.2億攝氏度的極高溫度下實現(xiàn)了一百零一秒的等離子體運行。甚至在溫度提升到1.6億攝氏度的恐怖溫度后,聚變裝置仍能溫度運行20秒。這是我國在可控核聚變領域取得的重大科技進步,也是在全球科研與工程領域邁出的重要一步。

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未來的機遇與挑戰(zhàn)

“人造太陽”所運用的可控核聚變技術,是基礎物理領域的重大難關。核聚變的研究和應用是一項龐大、復雜的科學和工程挑戰(zhàn),在全球范圍內(nèi),數(shù)以千計的科學家和工程師夜以繼日協(xié)同配合,尋幽探秘,花費了幾十年的光陰對可控核聚變核心技術不懈探索,也耗費了巨大的物質和人力資源。然而,當今可控核聚變?nèi)匀淮嬖谥恍┬枰獜浹a的空間和困難。

①電能的巨大需求與損耗

要控制“人造太陽”中的高溫等離子體,就需要一個巨大的磁場。以國際熱核聚變反應堆(IETR)為例,其磁場高達13萬高斯,維持這種強度的磁場就需要往導體中通入巨大的電流。由于電阻的存在,導體發(fā)熱十分嚴重,這就會造成巨大的電能損耗。而目前的超導材料大都需要高壓低溫的環(huán)境,這就使得一個“人造太陽”中出現(xiàn)了“冰火兩重天”,很難實現(xiàn)。

懸浮的超導材料 來源:維基百科

② 能量輸入和輸出平衡

在可控核聚變中,必須確保能量輸入大于等于輸出,以維持核聚變過程,這也被稱為“勞森判據(jù)”。這就要求工程人員在投入大量的能量加熱等離子體的同時,要收集和轉化產(chǎn)生的能量。

③材料的耐受性

目前,等離子體產(chǎn)生的高能中子會損害殼體和其他材料。因此,材料學家仍需要開發(fā)新的材料,以提高它們的輻照耐受性,以便反應堆能夠長期穩(wěn)定運行。

④控制等離子體

等離子體是一種高度不穩(wěn)定的狀態(tài),其內(nèi)部的溫度和壓力在空間上分布也不均勻,這會導致等離子體非常不穩(wěn)定。科學家研究更穩(wěn)妥的方式實現(xiàn)精確控制,以防止其漂移、扭曲或磁場失穩(wěn)。

⑤大規(guī)模資金

要進行可控核聚變研究需要建設龐大的實驗室,如國際熱核聚變實驗堆(ITER),這需要龐大的資金和國際協(xié)作。這些建設是為了容納復雜的設備和大規(guī)模的實驗,以模擬核聚變反應。

聚變能源擁有原料無盡、零環(huán)境污染、以及不產(chǎn)生高放射性核廢料等諸多優(yōu)勢,因此被認為是未來人類能源的主要前景之一。研究“人造太陽”就是人類在尋找新型能源過程中邁出的關鍵一步。

盡管存在這些困難和挑戰(zhàn),科學家們正在不斷改進技術設備,朝著實現(xiàn)可控核聚變的目標邁出堅實的步伐,我們有望在不久的將來取得更多的突破,為解決能源問題和減緩氣候變化提供更多的選擇。

評論
演繹無限精彩!
大學士級
“人造太陽”不僅對解決能源問題具有重大意義,也是人類科技進步的一次重大突破。我們期待著這項技術在未來的發(fā)展和應用,為人類創(chuàng)造更加美好的未來。
2023-10-02
科普員趙鵬
太傅級
“人造太陽”再次刷新紀錄,國產(chǎn)大型客機C919實現(xiàn)商業(yè)運營,新疆鹽堿地海鮮大豐收,醫(yī)用重離子加速器投入臨床應用,首艘國產(chǎn)大型郵輪“愛達·魔都號”試航成功,世界最深地下實驗室等待暗物質“造訪”......2023年,我國科技不斷取得新突破,為人類生活和發(fā)展帶來了新的可能性和機遇
2023-10-02
劉金壽(LJS)
學士級
好好完成學習
2023-10-02