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刷新紀(jì)錄!中國“人造太陽”科研技術(shù),獲得重大突破!

發(fā)布時(shí)間 :2024-01-12 11:34:52

近日,中核集團(tuán)新一代人造太陽中國環(huán)流三號取得重大科研進(jìn)展,首次實(shí)現(xiàn)100萬安培等離子體電流下的高約束模式運(yùn)行,再次刷新我國磁約束聚變裝置運(yùn)行紀(jì)錄,突破了等離子體大電流高約束模式運(yùn)行控制、高功率加熱系統(tǒng)注入耦合、先進(jìn)偏濾器位形控制等關(guān)鍵技術(shù)難題,是我國核聚變能開發(fā)進(jìn)程中的重要里程碑,標(biāo)志著我國磁約束核聚變研究向高性能聚變等離子體運(yùn)行邁出重要一步。

刷新紀(jì)錄!中國“人造太陽”科研技術(shù),獲得重大突破!(圖1)


可控核聚變技術(shù)一直被譽(yù)為能源領(lǐng)域的“圣杯”,它模擬了太陽內(nèi)部的聚變過程,通過將氫元素聚合形成重元素,從而釋放出巨大的能量。然而,由于核聚變過程的極其復(fù)雜性和難以掌控性,科學(xué)家們多年來一直面臨巨大的挑戰(zhàn)。

刷新紀(jì)錄!中國“人造太陽”科研技術(shù),獲得重大突破!(圖2)

中核集團(tuán)的研究團(tuán)隊(duì)通過實(shí)現(xiàn)高約束模式運(yùn)行,有效提升等離子體的整體約束性能,從而提高未來聚變堆的經(jīng)濟(jì)性。這意味著我們能夠更有效地利用資源,降低能源成本,并提高經(jīng)濟(jì)效益。這一成就對于我國的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和國防工業(yè)建設(shè)具有非常重要的戰(zhàn)略意義。

刷新紀(jì)錄!中國“人造太陽”科研技術(shù),獲得重大突破!(圖3)

這項(xiàng)技術(shù)的突破,也讓我們看到了未來能源發(fā)展的新方向。核聚變技術(shù)以其清潔、無污染和高效的能源潛力,正成為未來能源發(fā)展的重要方向。我們堅(jiān)信,在不久的將來,核聚變技術(shù)將實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用,為可持續(xù)社會(huì)發(fā)展提供強(qiáng)大支持。這項(xiàng)技術(shù)的突破,也讓我們看到了未來能源發(fā)展的新方向。

這項(xiàng)技術(shù)突破的背后是中核集團(tuán)在核能領(lǐng)域積累的豐富經(jīng)驗(yàn)和卓越科研實(shí)力。中核集團(tuán)作為中國核能行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè),一直致力于核能技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展。在可控核聚變領(lǐng)域,中核集團(tuán)通過匯聚國內(nèi)外頂尖科學(xué)家和研究團(tuán)隊(duì)的力量,不斷突破技術(shù)瓶頸,為我國核能事業(yè)的進(jìn)步做出了重要貢獻(xiàn)。

刷新紀(jì)錄!中國“人造太陽”科研技術(shù),獲得重大突破!(圖4)

此次的重大突破不僅在技術(shù)上具有重要意義,還體現(xiàn)了我國在核能領(lǐng)域自主創(chuàng)新能力的提升。長期以來,我國在核能領(lǐng)域一直依賴進(jìn)口技術(shù)和設(shè)備,限制了我們在核能產(chǎn)業(yè)鏈上的話語權(quán)和競爭力。而中核集團(tuán)的成就將有助于改變這一局面,實(shí)現(xiàn)對核能技術(shù)的真正自主掌握。

可控核聚變技術(shù)具有巨大的應(yīng)用潛力。一旦實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用,它將成為人類歷史上最清潔、高效的能源之一,為地球提供持續(xù)可再生的能源供應(yīng)。同時(shí),它還將大幅減少對化石燃料的依賴,有力緩解全球的能源危機(jī)和環(huán)境污染問題。

這一突破將推動(dòng)我國核能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。作為全球最大的能源消費(fèi)國之一,我國對清潔能源的需求日益增長??煽睾司圩兗夹g(shù)的引入和應(yīng)用將為我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型提供強(qiáng)有力支持,并促使我國在核能領(lǐng)域的市場份額進(jìn)一步擴(kuò)大,提升整體競爭力。

刷新紀(jì)錄!中國“人造太陽”科研技術(shù),獲得重大突破!(圖5)

總之,這次中國環(huán)流三號的這一重大科研進(jìn)展再次彰顯了我國在核聚變技術(shù)領(lǐng)域的實(shí)力和潛力。我們期待更多科研成果的涌現(xiàn),推動(dòng)我國核聚變事業(yè)不斷前行,為人類未來貢獻(xiàn)更多力量。

PART 01

何為核聚變?何為人造太陽?

眾所周知,目前人類能觸及的最強(qiáng)力量是原子能,利用原子能制作的原子彈、氫彈爆炸可以毀天滅地。原子能的力量來自于核反應(yīng),一種叫核裂變,就是重的原子核分裂成較輕的原子核;一種叫核聚變,就是較輕的原子核聚合成較重的原子核。兩種不同的核反應(yīng),造成炸彈分別就是原子彈和氫彈。

核裂變比較好控制,所以現(xiàn)在的核電站都是可控核裂變的產(chǎn)物,但還是缺點(diǎn)太多,比如能量密度有限、燃料提取難度大、放射性的核污染等等,當(dāng)然這些缺點(diǎn)花點(diǎn)錢還是能解決的,千萬不能像某國為了省錢往海里倒核污染的廢水。

另外一種我們現(xiàn)在還控制不了的核聚變,核聚變是一種核反應(yīng)過程,其中兩個(gè)輕核粒子(通常是氘核,即氘氫同位素的核,或三氘核,即氚的核)融合在一起形成一個(gè)更重的核。在核聚變過程中,巨大的能量釋放,這是太陽和恒星內(nèi)部產(chǎn)生能量的主要機(jī)制之一。

核聚變的過程可以簡單地描述為:1)核融合:兩個(gè)輕核粒子(如氘核)相互靠近并融合在一起形成一個(gè)更重的核。在這個(gè)過程中,質(zhì)量會(huì)發(fā)生微小的損失,轉(zhuǎn)化為能量,按照愛因斯坦的質(zhì)能方程(E=mc2);2)能量釋放:核聚變過程中釋放出的能量以高速帶走。這是因?yàn)槿诤虾蟮暮讼鄬^重,所以核的結(jié)合能更低,能量差以光子的形式釋放出去。

地球上最常見的能量來源,就是太陽!太陽至今已經(jīng)燃燒了四十多億年,地球僅靠其億分之一的能量就孕育了人間萬物。太陽之所以能夠源源不斷地向外界釋放巨大的能量,就是因?yàn)樵谔杻?nèi)部,一直進(jìn)行著核聚變反應(yīng)。這就是為什么說,可控核聚變是人造太陽”。

PART 02

人造太陽原理及進(jìn)程

打造人造太陽的核心就是掌握可控核聚變。核聚變有多種形式,最容易實(shí)現(xiàn)的是模擬太陽的核聚變過程,利用氫的兩種同位素氘和氚之間的聚變反應(yīng)釋放能量。氘在全球海洋中的儲量多達(dá)40萬億噸,如果全部用于聚變反應(yīng),釋放出的能量近乎能讓人類無限使用,而且反應(yīng)產(chǎn)物是無放射性污染的氦,也不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳等溫室氣體??梢哉f,它是解決人類能源和碳排放問題的一種“終極方案”。

核聚變的啟動(dòng)條件是非??量痰模?/span>太陽核心的核聚變就是在1500萬度高溫和3000億個(gè)大氣壓條件下形成的,而實(shí)現(xiàn)可控核聚變也需要滿足兩個(gè)基本條件。一是極高的溫度。在地球上要求氘和氚燃料溫度不低于1億攝氏度,這種溫度下,氫燃料將以等離子體的形態(tài)存在。二是有效約束。將超高溫等離子體約束在一定空間并維持足夠反應(yīng)時(shí)間,聚變輸出能量大于外部輸入能量(即聚變增益系數(shù)Q>1),使核聚變能夠自持進(jìn)行。

極高溫度這個(gè)觸發(fā)條件對人類來說還好實(shí)現(xiàn),主要需要解決的課題還是有效約束的問題。根據(jù)約束形式不同,有可控核聚變有磁約束和慣性約束兩種技術(shù)路線??煽睾司圩冇写偶s束是主流,目前歐盟、中國、韓國俄羅斯、日本印度和美國七個(gè)國家一起合作研究的“國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃”,也是真正意義上人造太陽計(jì)劃。使用的托卡馬克裝置,采取的就是可控核聚變有磁約束技術(shù)。托卡馬克(Tokamak)裝置,是一種環(huán)形容器,用磁場形成一個(gè)“磁籠”將等離子體束縛住,創(chuàng)造氘、氚實(shí)現(xiàn)聚變的環(huán)境和超高溫,實(shí)現(xiàn)受控核聚變。最初是由位于蘇聯(lián)莫斯科的庫爾恰托夫研究所的阿齊莫維齊等人在20世紀(jì)50年代發(fā)明的。

刷新紀(jì)錄!中國“人造太陽”科研技術(shù),獲得重大突破!(圖6)

?據(jù)說全世界現(xiàn)有200多個(gè)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置,所有裝置都在圍繞如何提高聚變增益、實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定約束等主要目標(biāo)每天都在大量的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行,各個(gè)國家也在等離子體物理學(xué)理論和工程技術(shù)方面持續(xù)進(jìn)步,驗(yàn)證了磁約束核聚變的科學(xué)可行性,為建造電站級核聚變反應(yīng)堆奠定了基礎(chǔ)。?

PART 03

我國在可控核聚變領(lǐng)域的進(jìn)展

我國在核聚變領(lǐng)域的技術(shù)有一定優(yōu)勢。中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院聚變科學(xué)所所長鐘武律此前表示,我國有望在10-20年的尺度內(nèi)獲得可控核聚變的能量。

日本調(diào)查公司Astamuse統(tǒng)計(jì)了在中日美歐等30個(gè)國家和地區(qū)申請的核聚變相關(guān)專利。針對2011年至2022年9月公開的1133項(xiàng)專利,將可行性和權(quán)利剩余保護(hù)期等專利的競爭力轉(zhuǎn)化為得分,排出了名次。按專利申請的企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的國籍來看,中國排在首位(申請件數(shù)也排在首位)。2015年以后中國申請的重要專利大幅增多,超過了美國。在企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)等排名前20位組織的專利之中,中國科學(xué)院擁有的用于核聚變爐內(nèi)壁的特殊陶瓷復(fù)合材料技術(shù)獲得的評價(jià)最高。

在科研層面,國內(nèi)主要有全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置EAST和側(cè)重激光約束的“神光”裝置。今年4月份,EAST曾成功實(shí)現(xiàn)等離子體運(yùn)行403秒打破世界紀(jì)錄,登上過媒體熱搜。

而“中國環(huán)流三號”是我國自主研制的又一超導(dǎo)托卡馬克裝置,由中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院科研團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)和研發(fā),它采用了先進(jìn)的偏濾器位形控制技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)更靈活和更優(yōu)化的等離子體運(yùn)行模式,具有高功率加熱和電流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),可以對等離子體進(jìn)行有效的加熱和控制,是我國探索可控核聚變的新型大科學(xué)裝置,被稱為繼“EAST”之后新一代的“人造太陽”。


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