“人造太阳”影响深远

陈老师
陈老师 2020-11-13 16:21
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前不久,中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯、美国7方30多个国家共同参与的国际热核聚变实验反应堆(ITER)计划启动主体安装工作,标志着人类距离“人造太阳”梦想又近了一步。

我们知道,当今原子能电站及原子弹的能量来自核裂变。与重原子核在中子打击下分裂放出“裂变能”正好相反,核聚变反应是由两个较轻的原子核(主要是氢的同位素),聚合成较重的原子核,同时释放能量的过程。太阳内部无时无刻不在发生着核聚变,这是大自然最普遍的能量来源。“聚变能”具有资源无限、环境友好、不产生高放射性物质等特点,被认为是最理想的洁净能源之一。人类梦想在地球上制造聚变反应堆,像太阳一样为人类提供源源不断的能源,俗称“人造太阳”。ITER计划的目标就是验证受控核聚变的科学与工程可行性。

核聚变反应原理虽然看上去很清晰,但要实现受控热核聚变反应却非常困难。这需要上亿摄氏度的高温,一定的原子核密度和足够长的控制原子核时间(约束时间)。20世纪50年代,英国科学家提出了被称为“劳森判据”的经典公式,给出了核聚变点火条件:当核聚变燃料的温度、密度和约束时间三者的乘积大于一个特定值时,就可以发生核聚变反应。按照劳森判据和核聚变本身特点,氢的同位素——氘氚反应被证明是最易实现的核聚变反应,也是当前研究的重点。

ITER计划的实施大体分三个阶段。从2006年开始是第一阶段建造期,目前计划在2025年安装调试完毕,可用来产生温度、密度和约束时间符合核聚变条件的高温等离子体(即电离了的“气体”)。2025年—2037年,ITER将进入装置运行期,最后还有5年的去活化期,使反应材料冷却到符合环境安全的程度。除了不用于发电,ITER将基本上验证或解决未来商用电站规模的受控核聚变发电所面临的物理、工程与科学方面的关键难题。

ITER项目耗时较长的原因有四:一是工程建造难度高,这里有世界上最大的磁体、超高真空室、供电系统、冷却系统等;二是项目具有科学和工程双重属性,没有成功案例可借鉴,工程决策难度大,大量的科学论证、工程验证需要反复迭代进行;三是项目管理挑战巨大,很多关键系统由多方参与采购制造,各方实力、规定差异较大,为项目的集成管理带来了极大挑战;四是参与方多,多文化背景交融,部分成员方的国内经济、政治形势变化也对ITER计划的实施产生直接影响。

从ITER到受控核聚变商用阶段,中间还需经过示范堆的实验。为弥补ITER和未来聚变电站之间的差距,我国聚变界提出建设中国聚变工程实验堆,建议在本世纪中叶开展中国聚变示范原型电站的建设和聚变能商业开发。在ITER专项支持下,我国于2014年完成了中国聚变工程实验堆的概念设计,目前正在开展详细物理工程设计、关键技术预研和聚变堆材料研发等工作,这一过程也广泛吸纳了国际各方的参与合作。商用核聚变挑战巨大,影响深远,带动广泛,需要各国科学家和政府共同努力,不断探索。

(作者为中国国际核聚变能源计划执行中心主任)

《 人民日报 》( 2020年10月14日 17 版)

转自:央广网新闻

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