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中國(guó)“人造太陽(yáng)”核心部件示意圖 |
讓5000萬(wàn)攝氏度等離子體穩(wěn)定持續(xù)燃燒100.12秒。這是中國(guó)超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置在今年7月創(chuàng)造的新紀(jì)錄。其重大意義不僅在于實(shí)現(xiàn)了超高溫度，而且在于檢驗(yàn)了對(duì)等離子體百秒級(jí)高約束運(yùn)行控制的模式。
中國(guó)超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置（即Experimental Advanced Superconducting Tokamak，縮寫為EAST，也被稱為“東方超環(huán)”）是在真空室內(nèi)加入少量氫的同位素氘或氚，通過類似變壓器的原理使其產(chǎn)生等離子體，然后提高其密度、溫度使其發(fā)生聚變反應(yīng)，反應(yīng)過程中會(huì)產(chǎn)生巨大能量。其原理在本質(zhì)上與太陽(yáng)核聚變相似，因而，“東方超環(huán)”也被譽(yù)為中國(guó)的“人造太陽(yáng)”。
核聚變的燃料是氘和氚，在自然界的存量近于無(wú)限。聚變產(chǎn)生巨量能源時(shí)幾乎不會(huì)有污染物，也無(wú)放射性核廢料，是目前已知的可最終解決人類能源和環(huán)境問題的最重要的途徑之一。上世紀(jì)30年代，核聚變的原理就被提出來(lái)，但是產(chǎn)生可控核聚變需要的條件非�？量�。我們知道，太陽(yáng)中心溫度可達(dá)1500萬(wàn)攝氏度，再加上巨大的壓力，使核聚變能夠進(jìn)行。地球上，人類所能獲得的壓力條件有限，只能通過將溫度提高至上億度來(lái)彌補(bǔ)。而如此高的溫度沒有任何一種固體物質(zhì)能承受，只能靠強(qiáng)大的磁場(chǎng)來(lái)約束，由此產(chǎn)生了磁約束核聚變。而產(chǎn)生強(qiáng)大磁場(chǎng)，進(jìn)行磁約束核聚變的反應(yīng)設(shè)備就是托卡馬克裝置（Tokamak）。其中央是一個(gè)環(huán)形的真空室，外面纏繞著線圈。在通電的時(shí)候，托卡馬克裝置的內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生巨大的螺旋型磁場(chǎng)，將其中的等離子體加熱到很高的溫度，以達(dá)到核聚變的目的。第一代托卡馬克裝置由蘇聯(lián)科學(xué)家阿齊莫維齊等人在20世紀(jì)50年代發(fā)明。
上世紀(jì)90年代初，中國(guó)引入了蘇聯(lián)的托卡馬克裝置，對(duì)其進(jìn)行了大幅改進(jìn)，建成超導(dǎo)裝置HT-7。2003年3月，HT-7獲得超過1分鐘的等離子體放電，最長(zhǎng)放電時(shí)間達(dá)到63.95秒，成為繼法國(guó)之后，第二個(gè)能產(chǎn)生分鐘量級(jí)高溫等離子體放電的托卡馬克裝置。在HT-7基礎(chǔ)上，中國(guó)科學(xué)家用10年時(shí)間，自主設(shè)計(jì)和建造出世界上首個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克裝置EAST。EAST裝置的主機(jī)部分高11米，直徑8米，重400噸，由超高真空室、縱場(chǎng)線圈、極向場(chǎng)線圈等6大部件組成。它集中了超高溫、超低溫、超大電流、超強(qiáng)磁場(chǎng)和超高真空等多項(xiàng)極限。整個(gè)項(xiàng)目的國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到90%以上，自研率在70%以上。取得的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和成果達(dá)68項(xiàng)之多。
EAST的建成使中國(guó)成為世界上少數(shù)幾個(gè)擁有這種類型超導(dǎo)托卡馬克裝置的國(guó)家，并把中國(guó)的磁約束核聚變研究水平大幅推進(jìn)到世界前沿。建成后，EAST進(jìn)行了多次成功實(shí)驗(yàn)，并創(chuàng)下多項(xiàng)托卡馬克運(yùn)行的世界紀(jì)錄。2012年，EAST實(shí)現(xiàn)30秒高約束等離子體放電。2013年1月，EAST又獲重大實(shí)驗(yàn)成果，其輔助加熱工程的中性束注入系統(tǒng)（NBI）在綜合測(cè)試平臺(tái)上成功實(shí)現(xiàn)100秒長(zhǎng)脈沖氫中性束引出，初步驗(yàn)證了系統(tǒng)的長(zhǎng)脈沖運(yùn)行能力。2016年，EAST獲得60秒完全非感應(yīng)電流驅(qū)動(dòng)（穩(wěn)態(tài)）高約束模等離子體。接下來(lái)就是今年7月取得的驕人成就。
中國(guó)在大力推進(jìn)自身托卡馬克裝置研制和實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，積極參與國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER計(jì)劃。該計(jì)劃是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國(guó)際科研合作項(xiàng)目之一，其目標(biāo)是在和平利用聚變能的基礎(chǔ)上，探索聚變?cè)诳茖W(xué)和工程技術(shù)上的可行性。根據(jù)相關(guān)協(xié)議，為ITER計(jì)劃提供部件是中國(guó)參與的重要方式。
2013年8月，我國(guó)研制生產(chǎn)出大電流高溫超導(dǎo)直流電纜，這是向國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆供貨的超導(dǎo)電纜，2016月4月，中國(guó)承擔(dān)生產(chǎn)和設(shè)計(jì)的首個(gè)超大部件——脈沖高壓變電站（PPEN）首臺(tái)主變壓器，運(yùn)往ITER設(shè)施的建造地法國(guó)。2016年12月，由中核集團(tuán)西南物理研究院自主研發(fā)制造的國(guó)際熱核聚變核心部件——超熱負(fù)荷第一壁原型件在國(guó)際上率先通過權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證，這是中國(guó)對(duì)國(guó)際熱核聚變項(xiàng)目的又一重大貢獻(xiàn)。目前，中國(guó)在ITER的7方采購(gòu)包進(jìn)度中，已經(jīng)上升為第一位。在核聚變領(lǐng)域，中國(guó)人扮演的再也不是可有可無(wú)的“小角色”。通過參與國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER計(jì)劃，中國(guó)也進(jìn)一步提升了自己的設(shè)備制造能力，鍛煉和培養(yǎng)了一批專才。
1億攝氏度，1000秒，這是中國(guó)科學(xué)家和“東方超環(huán)”EAST追求的目標(biāo)。因?yàn)橹挥袑㈦�、氚的等離子體瞬間加熱到1億攝氏度，并至少持續(xù)1000秒，才能形成持續(xù)反應(yīng)，核聚變才能為人類所利用。
在積極推進(jìn)EAST實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，中國(guó)已瞄準(zhǔn)下一個(gè)奮斗目標(biāo)：設(shè)計(jì)建設(shè)自己的下一代核聚變裝置。2011年，中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（CFETR）開始了設(shè)計(jì)研究。在過去的幾年里，項(xiàng)目集中了中國(guó)磁約束聚變研究的骨干力量，形成實(shí)力強(qiáng)大的國(guó)家隊(duì)，努力消化ITER和國(guó)際磁約束聚變堆設(shè)計(jì)和技術(shù)，并進(jìn)行大膽創(chuàng)新。2015年8月，中國(guó)圓滿完成了聚變工程實(shí)驗(yàn)堆概念設(shè)計(jì)。據(jù)悉，目前相關(guān)裝置已完成設(shè)計(jì)研究并開始了工程化設(shè)計(jì)�？梢云诖氖�，中國(guó)將在人類開發(fā)清潔而又無(wú)限的核聚變能源領(lǐng)域作出新的探索和實(shí)踐，為“人造太陽(yáng)”的早日升起作出突出貢獻(xiàn)。
