中國(guó)人造太陽(yáng)技術(shù)閃耀，終極能源指日可待？

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導(dǎo)讀：中國(guó)“人造太陽(yáng)”宣布實(shí)現(xiàn)了等離子體電流突破100萬(wàn)安培，這是繼實(shí)現(xiàn)了1056秒的長(zhǎng)脈沖高參數(shù)等離子體運(yùn)行后，再次刷新世界托卡馬克裝置核聚變技術(shù)新記錄，讓中國(guó)核聚變技術(shù)走向了世界前列。

中國(guó)EAST全超導(dǎo)托卡馬克裝置

一、核聚變技術(shù)變出“人造太陽(yáng)”

核聚變的基本原理是輕原子核結(jié)合成較重原子核時(shí)放出巨大能量，即氘和氚反應(yīng)生成氦（氘+氚=氦（3.5Mev）+中子（14.1Mev）、中子+鋰=氚+氦+4.8Mev），該過(guò)程就能夠提供大量的能量。核聚變對(duì)反應(yīng)條件要求非常苛刻，太陽(yáng)就是靠核聚變反應(yīng)來(lái)給太陽(yáng)系帶來(lái)光和熱。

核聚變反應(yīng)

而“人造太陽(yáng)”就是人類基于上述反應(yīng)原理，制造的一種能夠提供核聚變環(huán)境的裝置。實(shí)際上，人類發(fā)明的氫彈就是采用了核聚變反應(yīng)，只不過(guò)氫彈爆炸產(chǎn)生的能量不可控。人造太陽(yáng)必須采用“可控”核聚變，才能讓核聚變反應(yīng)產(chǎn)生供人類可用的能量。

前蘇聯(lián)阿齊莫維齊等人所發(fā)明的裝置——托卡馬克，意思是“帶有磁場(chǎng)線圈的環(huán)形真空室”。其結(jié)構(gòu)主要包括中心螺線管、極向線圈、環(huán)向線圈、環(huán)形真空室以及其他輔助系統(tǒng)。

托卡馬克示意圖

相比之下，中國(guó)人造太陽(yáng)技術(shù)最早可追溯至1960年，技術(shù)引進(jìn)后又于1993年建造了HT-7托卡馬克核聚變裝置。在此基礎(chǔ)上，中國(guó)最新研發(fā)出“HT-7U全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克裝置”，也被稱作EAST裝置，采用磁約束實(shí)現(xiàn)對(duì)離子的控制，該裝置的成功運(yùn)行標(biāo)志著我國(guó)在托卡馬克核聚變堆領(lǐng)域達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

中國(guó)EAST裝置

二、“人造太陽(yáng)”面臨諸多挑戰(zhàn)

1.挑戰(zhàn)進(jìn)行氚控制

核聚變反應(yīng)大的核心就是氚的控制，在反應(yīng)過(guò)程需要保證反應(yīng)消耗和生成的氚在相當(dāng)?shù)谋壤拍鼙ＷC該過(guò)程的穩(wěn)定運(yùn)行。這就需要在核聚變中精確控制輸入，能夠準(zhǔn)確地探測(cè)氚反應(yīng)情況，從而滿足穩(wěn)定運(yùn)行的控制要求，這一問(wèn)題是國(guó)際難題，也反映了核聚變技術(shù)水平。其中，我國(guó)達(dá)到1065s已經(jīng)是世界最領(lǐng)先水平。

EAST主體結(jié)構(gòu)圖

2.挑戰(zhàn)進(jìn)行反應(yīng)防護(hù)

在核聚反應(yīng)中，第一壁的工作條件最為苛刻，等離子、中子帶有大量能量撞擊將會(huì)產(chǎn)生不可修復(fù)的破壞。同時(shí)，第一壁還要防止輻射泄漏，避免內(nèi)部中子射出與其他物資反應(yīng)輻射。我國(guó)采用鎢金屬作為第一壁，并且用主動(dòng)冷卻技術(shù)最大程度保證第一壁的安全性。

3.挑戰(zhàn)實(shí)現(xiàn)能量增益

能量增益是指在人類進(jìn)行核聚變反應(yīng)中，投入激發(fā)核聚變反應(yīng)的能量和核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量的差額，實(shí)際上就是能源的轉(zhuǎn)化效率，只有達(dá)到正收益核聚變才能具備應(yīng)用的價(jià)值，人們才能將核聚變轉(zhuǎn)化成真正的能源。

EAST 內(nèi)部真空室結(jié)構(gòu)圖

三、“人造太陽(yáng)”關(guān)鍵技術(shù)有哪些

1.磁面位形控制

磁面位形是EAST穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的關(guān)鍵，磁面位形控制精度直接影響等離子和第一壁的作用情況，也會(huì)影響偏慮器靶板的熱負(fù)荷。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)能夠重建離子體磁面位形, 根據(jù)實(shí)時(shí)情況顯示控制誤差并反饋進(jìn)行控制調(diào)整，快速和精確的實(shí)現(xiàn)控制。

EAST開發(fā)了一種GPU并行等離子體反演程序P-EFIT，該技術(shù)能夠在220us內(nèi)完成65×65格點(diǎn)的一次平衡迭代計(jì)算，迭代速度更快，精度更高，滿足實(shí)時(shí)平衡重建的要求。

P-EFIT算法的位形對(duì)比

EAST還研發(fā)的新一代積分器，能夠避免出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間積分零點(diǎn)漂移。該積分器能夠診斷輸入信號(hào)的準(zhǔn)確性, 從而進(jìn)一步提升了磁面控制的精確性。

等離子放電效果圖

2.等離子密度控制

核聚變反應(yīng)的基本條件就是控制等離子密度，采用超聲分子束注入密度控制技術(shù)，能夠高速定向的注入真空室內(nèi)部，其中，通過(guò)Laval噴射膨脹能夠形成超聲速分子束流，并且高速射流能夠達(dá)到芯部。同時(shí)，液氦低溫泵具備速度快、響應(yīng)及時(shí)的特點(diǎn)，能夠配合超聲分子束注入燃料粒子，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的等離子密度控制效果。（下圖123456依次為：磁屏蔽、液氮冷阱、電磁閥、噴嘴、液氮管道、高壓氣源）

超聲分子束注入裝置

3.偏濾器需耐極高熱負(fù)荷

偏濾器能夠控制主等離子體與裝置第一壁直接相撞，但其在受到高約束長(zhǎng)脈沖運(yùn)行表面將受到極高熱負(fù)荷。鎢金屬是當(dāng)前最適合用于第一壁的金屬材料，由于其具備良好的抗中子活性、機(jī)械強(qiáng)度、熱傳導(dǎo)率。

EAST采用了鎢銅偏濾器，將兩個(gè)鎢平板之間放一塊銅過(guò)渡層，形成靶板的基本結(jié)構(gòu)。利用熱等靜壓技術(shù)，通過(guò)電子束焊將靶板接到熱沉。熱沉內(nèi)含冷卻水管通道，最大程度減低偏濾器表面溫度。

鎢銅偏濾器示意圖

四、 “人造太陽(yáng)”未來(lái)應(yīng)用展望

可控核聚變技術(shù)是未來(lái)能源的終極解決方案，若該技術(shù)獲得商業(yè)化的應(yīng)用，將直接改變?nèi)祟惖哪茉锤窬帧８鶕?jù)當(dāng)前可控核聚變技術(shù)規(guī)劃，目前共劃分成四個(gè)技術(shù)階段：

1.試驗(yàn)平臺(tái)上開展深入研究

EAST試驗(yàn)裝置將是未來(lái)幾年最為先進(jìn)的試驗(yàn)平臺(tái)，能夠在此基礎(chǔ)上開展前沿性的技術(shù)研究，為未來(lái)下一階段試驗(yàn)堆提供理論支持。

2.逐步建成試驗(yàn)堆

預(yù)計(jì)2025年建成，ITER國(guó)際試驗(yàn)平臺(tái)將會(huì)開展更為先進(jìn)的技術(shù)研究，開展D-T穩(wěn)態(tài)燃燒等離子體試驗(yàn)，穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)脈沖燃燒等離子體等挑戰(zhàn)任務(wù)，為下一步工程應(yīng)用提供支持。

3.推進(jìn)工程堆建設(shè)

預(yù)計(jì)2030年建成，CFETR工程堆將發(fā)揮將理論研究轉(zhuǎn)化成工程成果的效果，再次突破應(yīng)用邊界，將在工程化的要求開展技術(shù)研究，為全面商業(yè)化開展小型化的應(yīng)用示范。

4.完成原型電站建設(shè)

預(yù)計(jì)2050年建成，PFPP原型電站簡(jiǎn)稱改為商業(yè)化運(yùn)行的電站，能夠安全可靠高效地并網(wǎng)，在人類能源結(jié)構(gòu)中發(fā)揮重要作用。

可控核聚變技術(shù)規(guī)劃圖

結(jié)語(yǔ)：

核聚變研究水平是國(guó)家綜合技術(shù)實(shí)力的一種體現(xiàn)。超大電流、超強(qiáng)磁場(chǎng)、超高溫、超低溫、超高真空等極限環(huán)境對(duì)技術(shù)能力提出了新挑戰(zhàn)，也是未來(lái)科學(xué)技術(shù)的重要發(fā)展方向。已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平的國(guó)產(chǎn)設(shè)備未來(lái)也將在核聚變的運(yùn)行時(shí)間和能量增益實(shí)現(xiàn)新的突破。

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