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9月28日,世界首个全超导非圆截面核聚变实验装置在合肥投入运行
实验装置成功放电 “人造太阳”又近一步
记者 刘杰 何聪
  2006年09月29日03:23 【字号 】【留言】【论坛】【打印】【关闭
 

  新一代热核聚变装置EAST放电过程图像。
  新华社记者 李健 摄
  9月28日,合肥科学岛,洋溢着成功的喜悦……

  “真空”,“正常”;“低温”,“正常”……在一串串指令对话中,我国最新一代核聚变实验装置“EAST”(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)首次放电,成功获得电流超过200千安、时间近3秒的高温等离子体放电。“EAST”成为我国自行设计的、目前世界上能让等离子体运行时间最长的核聚变实验装置。

  全人类离“人造太阳”又近了一步

  解惑

  “人造太阳”什么样?像太阳一样释放能量的核聚变电站

  “太阳可以人造吗?”“人造太阳”什么样?面对一些公众通俗化的“曲解”,“EAST”项目总负责人万元熙研究员耐心地解释,“EAST是为建造‘人造太阳’进行实验的装置。‘人造太阳’并不是像太阳一样悬挂在天空,而是建造在地球上的受控热核聚变反应堆或核聚变电站,它能像太阳一样通过核聚变反应放出能量,进而发电。”

  太阳上面巨大的能量来自于什么?核聚变反应。核聚变是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核,并释放出能量的过程。自然界人们最熟悉的聚变反应是氢的同位素氘(dao)和氚(chuan)的聚变。这种反应已在太阳上持续了50亿年。“如果发明一种能够承受上亿摄氏度的高温并且能够控制氘和氚聚变稳定持续输出能量的装置,那就相当于发明了一个‘人造太阳’,能够像太阳一样给人类提供无限清洁的能源。”万元熙介绍说,这就是人造太阳的原理。

  万元熙告诉记者,这种受控热核聚变反应,正在两条途径中迅速发展。其中一条途径就是造出各式各样的磁容器来,其中有一类磁容器叫做托卡马克,正是在这一类的托卡马克聚变装置上面,科学家的研究发明可以把氘氚的聚变燃料加热到4亿到5亿摄氏度的高温区,然后发生大量聚变反应。然而目前从加热到实现聚变反应只有几秒钟的短暂时间。而走向稳态运行才是未来的聚变反应堆所需要的。

  EAST装置应运而生。“这个装置最大的特点就是为了把托卡马克已取得的巨大进展过渡到稳态运行,为未来实现真正的人造小太阳做出重要贡献。”万元熙说,科学家们正努力争取在未来的5到10年内,实现放电持续时间达到1000秒,温度超过1亿摄氏度的设计目标,实现放电装置的稳态运行,为未来建设稳态先进安全的核聚变反应堆提供工程技术和物理基础。

  揭秘

  EAST装置有什么特点?集全超导和非圆截面于一身,国际上尚无成功建造的先例    

  内墙直径7.62米,高11米,总重量410吨的EAST装置,从内到外一共由五层部件构成,每层都起到隔热保温作用,最内层的环行磁容器像个巨大的游泳圈。一旦进入实验状态,“游泳圈”内部将达到上亿摄氏度的高温,这也正是模拟太阳核聚变反应的关键部位。通过磁力线的作用,等离子体被约束在 “游泳圈”中运行,发生聚变反应。

  万元熙介绍说,EAST集全超导和非圆截面两大特点于一身,且具有主动冷却结构,能产生稳态的、具有先进运行模式的等离子体,国际上尚无成功建造的先例。EAST的规模、性能都远超出它的“前辈”,能使等离子稳定运行的时间达到1000秒以上,获得1亿摄氏度以上的高温。该装置的建设由中科院合肥物质科学研究院等离子体所承担,历时8年、耗资2亿人民币。如今EAST装置投入运行,进行正式放电实验。“是世界上第一个建成的具有非圆截面的全超导托卡马克,然而我们的花费却只到世界上同类装置的1/15或1/20。”万元熙自豪地说。

  意义

  和普通的核电有什么不同?EAST实验装置商业运行后发电量够用数亿年

  “我们的使命就是赶在石油、煤等化石能源枯竭之前,找到可以替代的新能源。”中科院等离子体研究所李建刚所长雄心勃勃地说。他所仰仗的正是这个巨大而复杂的EAST超导托卡马克。

  和现有核电相比,未来“人造太阳”发的核电有什么不同?据万元熙介绍,现在的裂变电站有两个问题,一个问题,地球上所蕴藏的铀矿,作为核燃料也只能用60年左右,这是1998年世界能源组织公布的数据。另外一个相当大的问题,在使用铀矿的过程当中产生一些高放射性的废物。废物的寿命非常之长,就是几千上万年仍然是有放射性的,对人类的环境会造成另外一种污染。但是聚变能源恰恰不同。其燃料来自于海水当中,藏量非常丰富。

  他介绍说,核聚变反应燃料是从海水中提炼的氢的同位素氘。如果未来能建成一座1000兆瓦的核聚变电站,按照1公升海水里提取的氘,在完全聚变反应中所释放的能量,相当于燃烧300公升汽油释放的热能,那么每年只需要从海水中提取304公斤的氘就可以产生1000兆瓦的电量,照此计算,地球上仅在海水中就含有45万亿吨氘,足够人类使用上百亿年。另外只要停止核燃料的供应,聚变过程就会停止,就好像厨房里的煤气灶,关掉阀门会灭火,使用安全。

  前景

  “人造太阳”能升空吗?“电入寻常百姓家”至少要等半个世纪

  “人造太阳”离“升空”还很遥远。 EAST装置只是为未来建造真实的受控热核聚变反应堆、聚变能电站奠定工程和物理的基础。不过,万元熙肯定地说,将来的“人造太阳”除了规模更大,原理应该跟今天试验装置基本一样。

  全世界目前所有的聚变装置,包括最大的也不能称之为“人造太阳”,但所有这些装置上面研究的各式各样的结果,都会为未来建造真实的受控热核聚变反应堆、聚变能电站做出重要贡献,奠定工程和物理的基础。没有基础,不可想象未来可建造真实的聚变反应电站。

  距离当年的氢弹爆炸50多年的时间,尽管世界上许多国家建起了核电站,人类还是没有看到一座核聚变发电站的出现。但核聚变电站的诱人前景依然是人们心中一个割舍不去的梦。50年来,在30多个国家建造的大大小小上百个实验装置上,每一次放电时间的延长,人们都为之兴奋;每一次温度的提高,人们都为之欢呼;因为这看似小小的进步,都意味着我们离聚变能的应用更近了一步。

  科学家预计,“人造太阳”光照寻常百姓家的梦想,最快要在50年后实现。一旦这一成果投入商业运行,出现经济、实用的“人造太阳”,将彻底变革世界能源供应格局,甚至一劳永逸地解决人类可持续发展中最重要的清洁能源,提供无限的清洁能源。

  链接

  俄、日、美、欧从1985年开始实施“ITER计划”(一个大型的国际科技合作计划),其目标是要建造可控制的核聚变实验反应堆。中国从2003年开始参加。ITER计划要建设一个更大型的全超导非圆截面托卡马克,验证聚变反应堆的工程可行性,总工程造价46亿欧元,工程建设即将开始,预计8到10年完成。由于ITER的核心装置也是一个全超导非圆截面托卡马克,EAST被同行们称为“小ITER”。

    《人民日报》 (2006-09-29 第05版)

 

来源:人民网-《人民日报》 (责任编辑:刘峰)


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