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人类历史上最大核聚变项目迈出第一步

来源:南宁晚报 2020-08-02 04:47   http://www.yybnet.net/

据外媒7月29日报道,世界上最大国际热核聚变实验堆(ITER)7月28日在法国南部城镇圣保罗-莱迪朗斯举行安装启动仪式,开始了为期5年的组装阶段。英国《卫报》称,这标志着这个人类历史上最大的核聚变项目进入到了新的阶段,这一过程完成后,第一个超热等离子体预计将在2025年底产生。不过,这一项目仍存在一些技术挑战。

最大的核聚变工程

据报道,多个项目参与国代表参与了当日的安装启动仪式。ITER是中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯、美国等国的合作项目,耗资约200亿欧元(约合人民币1640亿元),由成员分摊建设成本,作为国际热核聚变实验堆的“东道国”,欧洲承担了45%的建造费用,包括俄罗斯在内的其他国家各承担9%。

ITER项目将模拟太阳产生能量的核聚变过程,展示核聚变能量可以用于商业。《卫报》报道称,该核聚变装置包含数百万个零件,或重达2.3万吨,是人类历史上迄今为止最大的核聚变工程。该装置还具有近3000公吨重的超导磁体,由超导电缆连接。

此次启动的是“托卡马克”(tokamak)装置的安装工程。是目前利用氢的同位素——氘与氚,进行可控热核聚变的主流装置。托卡马克有“人造太阳”之称,这是一种利用磁约束实现受控核聚变的环形装置。其中央是一个环形真空,外面围绕着线圈。通电时内部会产生巨大螺旋形磁场,将其中的等离子体加热到很高温度,以达到受控核聚变的目的。

ITER组织总干事贝尔纳·比戈说,核聚变能量和可再生能源一道,将使交通、建筑和工业等能够依靠电力运行。

大胆构思由来已久

据报道,ITER项目将是第一个实现“燃烧”或自加热等离子体的项目,预计将产生10倍于投入的热量,远远超过以往的尝试。在运行过程中,它还将使用大量电能为磁体和科学仪器提供动力,《卫报》称,该项目的目的是为大规模核聚变进行概念验证,而不是为了未来的商业用途。

而这一“种太阳”的构思由来已久。据卡塔尔半岛电视台报道,1985年,美国总统里根和苏联领导人戈尔巴乔夫在一次峰会上首次提出了探索该技术的联合项目,目的是“为了全人类的利益,将受控热核聚变技术用于和平目的”。而多年以后,这一项目才真正开始。

根据英国广播公司(BBC)的说法,这一组装过程完成后,该设施将能够开始产生聚变能量所需的超热等离子体,第一个超热等离子体预计将在2025年底产生。

法国总统马克龙当日在视频致辞中表示,此举将促使各国围绕共同利益团结起来。马克龙说:“历史上最伟大的进步总是来自大胆的赌注,来自充满困难的旅程。”“ITER具有发现精神和雄心壮志,以及一种理念:多亏科学,明天可能确实会比昨天更好。”

外界寄予较高期待

与核裂变原理不同,核聚变通过两种轻元素结合成一种重元素,其中释放出大量能量,且放射性很低。实现受控的核聚变反应产生的净能量,让外界十分期待,尤其是在气候危机令人焦虑的当下,核聚变反应产生大量清洁能源,被外界寄予较高期待。

那么,这能否成为未来可以广泛利用的一种能量?

有支持者说,核聚变反应值得投入资金和努力,其有望带来清洁、“取之不尽用之不竭”的能源,有助于应对气候危机。支持者们也相信,ITER项目能够克服技术障碍。

但也有人对此持怀疑态度。多年以来,科学家们一直对相关领域进行研究,将核聚变反应商业化仍存不小的困难。而ITER项目也面临着不少挑战,比如托卡马克主要部件的尺寸和重量问题、制造商众多、建设时间紧迫等。

目前,ITER被广泛认为是最先进和最实用的核聚变反应项目,与此同时,也有不少公司正对这一领域进行积极探索。英国原子能管理局首席执行官伊恩·查普曼称,“这个项目正处于非常令人兴奋的阶段。”“我们转向使用核聚变是为了改变世界——在为子孙后代提供清洁能源方面发挥巨大作用。我们希望在五年内看到第一个等离子体,不过,其他一些部件也需要进行进一步的组装……尽管如此,它仍在商业规模展示核聚变的道路上树立了里程碑。”

综合新华社、中新、中广报道

■科普

什么是热核聚变?

核聚变是太阳和恒星的能量来源。在这些星体核心的巨大热量和重力下,氢原子核相互碰撞,聚合成更重的氦原子,并在此过程中释放出大量能量。20世纪的聚变科学确定了实验室环境中最有效的核聚变反应是两个氢同位素氘和氚之间的反应。在实验室中实现聚变必须满足3个条件:极高的温度、足够的等离子体粒子密度以及足够的限制时间。在托卡马克装置内部,在极高的热量和压力的影响下,气态氢燃料变成了等离子体,该环境为氢原子发生核聚变并产生能量创造了条件。

为何寄望核聚变?

该计划承载着人类和平利用核聚变能的美好愿望,旨在模拟太阳发光发热的核聚变过程,探索核聚变技术商业化的可行性,对于从根本上解决人类共同面临的能源问题、环境问题和社会可持续发展问题具有重大意义。

ITER不会发电,但是它将解决关键的科学和技术问题,被视为“当今专注于等离子体物理研究的核聚变机器和明天的核聚变电厂之间的实验步骤”。

什么是托卡马克?

托卡马克是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形装置。它的中央是一个环形真空,外面围绕着线圈。通电时其内部会产生巨大螺旋形磁场,将其中的等离子体加热到很高温度,以达到受控核聚变的目的。

术语“托卡马克”来自俄语首字母缩写,指的是“带有电磁线圈的环形真空室”。托卡马克由苏联研究机构在20世纪60年代末首次开发出来,如今已在世界范围内被采用,成为最有前景的磁约束核聚变装置。ITER计划的托卡马克装置将成为世界上最大的托卡马克装置,其体积是目前运行的最大托卡马克装置的两倍,其等离子体反应室容积也是其10倍。

未来将如何发展?

近几年,高温超导的产业化发展迅速。不仅美、日、德有多家企业,国内,上海超导和苏州新材料研究所都已研制成功千米级二代高温超导带状导线并实现了商业化销售。但目前价格还比较贵。高温超导线圈的成本比低温超导线圈高了一个数量级。但因为高温超导有广泛的应用领域,如直流输电、超导磁悬浮列车、超导电机、超导发电机、超导变压器、超导故障电流限制器、超导电缆,以及高磁场核磁共振成像NMR/磁共振成像MRI等,市场需求潜力巨大。

考虑到目前高温超导线圈的技术水平和成本,比较适合建造小型的托卡马克、仿星器或磁镜等稳态磁约束聚变实验装置,瞄准稳态运行目标,并及时启动高温超导聚变堆设计的国家计划。未来10年,随着高温超导产业化的发展和成本的降低,用高温超导线圈建造聚变堆将变得现实。

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