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“人造太陽”影響深遠(科技大觀)

羅德隆
2020年10月14日08:19 | 來源:人民網-人民日報
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  前不久,中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯、美國7方30多個國家共同參與的國際熱核聚變實驗反應堆(ITER)計劃啟動主體安裝工作,標志著人類距離“人造太陽”夢想又近了一步。

  我們知道,當今原子能電站及原子彈的能量來自核裂變。與重原子核在中子打擊下分裂放出“裂變能”正好相反,核聚變反應是由兩個較輕的原子核(主要是氫的同位素),聚合成較重的原子核,同時釋放能量的過程。太陽內部無時無刻不在發生著核聚變,這是大自然最普遍的能量來源。“聚變能”具有資源無限、環境友好、不產生高放射性物質等特點,被認為是最理想的潔淨能源之一。人類夢想在地球上制造聚變反應堆,像太陽一樣為人類提供源源不斷的能源,俗稱“人造太陽”。ITER計劃的目標就是驗証受控核聚變的科學與工程可行性。

  核聚變反應原理雖然看上去很清晰,但要實現受控熱核聚變反應卻非常困難。這需要上億攝氏度的高溫,一定的原子核密度和足夠長的控制原子核時間(約束時間)。20世紀50年代,英國科學家提出了被稱為“勞森判據”的經典公式,給出了核聚變點火條件:當核聚變燃料的溫度、密度和約束時間三者的乘積大於一個特定值時,就可以發生核聚變反應。按照勞森判據和核聚變本身特點,氫的同位素——氘氚反應被証明是最易實現的核聚變反應,也是當前研究的重點。

  ITER計劃的實施大體分三個階段。從2006年開始是第一階段建造期,目前計劃在2025年安裝調試完畢,可用來產生溫度、密度和約束時間符合核聚變條件的高溫等離子體(即電離了的“氣體”)。2025年—2037年,ITER將進入裝置運行期,最后還有5年的去活化期,使反應材料冷卻到符合環境安全的程度。除了不用於發電,ITER將基本上驗証或解決未來商用電站規模的受控核聚變發電所面臨的物理、工程與科學方面的關鍵難題。

  ITER項目耗時較長的原因有四:一是工程建造難度高,這裡有世界上最大的磁體、超高真空室、供電系統、冷卻系統等﹔二是項目具有科學和工程雙重屬性,沒有成功案例可借鑒,工程決策難度大,大量的科學論証、工程驗証需要反復迭代進行﹔三是項目管理挑戰巨大,很多關鍵系統由多方參與採購制造,各方實力、規定差異較大,為項目的集成管理帶來了極大挑戰﹔四是參與方多,多文化背景交融,部分成員方的國內經濟、政治形勢變化也對ITER計劃的實施產生直接影響。

  從ITER到受控核聚變商用階段,中間還需經過示范堆的實驗。為彌補ITER和未來聚變電站之間的差距,我國聚變界提出建設中國聚變工程實驗堆,建議在本世紀中葉開展中國聚變示范原型電站的建設和聚變能商業開發。在ITER專項支持下,我國於2014年完成了中國聚變工程實驗堆的概念設計,目前正在開展詳細物理工程設計、關鍵技術預研和聚變堆材料研發等工作,這一過程也廣泛吸納了國際各方的參與合作。商用核聚變挑戰巨大,影響深遠,帶動廣泛,需要各國科學家和政府共同努力,不斷探索。

  (作者為中國國際核聚變能源計劃執行中心主任)


  《 人民日報 》( 2020年10月14日 17 版)

(責編:趙竹青、呂騫)

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