人民网
人民网>>科技

中国参与“人造太阳”计划 制造输出关键部件

2016年05月07日08:39 | 来源:人民网-人民日报海外版
小字号
原标题:中国助力“人造太阳”早日发光

  中国承担设计的脉冲高压变电站(PPEN)400KV高压智能主变压器正在被吊运。

  这些天,北京的清晨多是大晴天,阳光照在身上,浑身暖暖的。“人类可以制造一个太阳来产生光和热吗?”早在上世纪50年代,一个高中学历的苏联年轻少尉就提出了这个问题。当初这个勇敢的“空想”或将在本世纪中叶变为现实:通过模仿太阳的热核聚变反应,中外科学家们正在建造人类首颗“人造太阳”,它将带来几乎无限的清洁能源。

  “人造太阳”计划(国际热核聚变实验堆计划,简称ITER),由欧盟、中国、美国等7大经济体联合打造,耗资50亿美元(1998年价),已历经30余年,预计2019年建成,2050年商用。作为当今最具代表性的国际大科学合作研究计划之一,它与国际空间站、人类基因组测序等项目一起,吸引了全世界的目光。如今,它正稳步推进。

  上月底,中国承担生产和设计的首个超大部件——脉冲高压变电站(PPEN)首台主变压器,已运往“人造太阳”设施的建造地法国。随着各类设施逐渐完工,人类离建成首个“人造太阳”的目标越来越近。

  ①产生能量可用百亿年

  为什么要制造“人造太阳”?这和人类长久以来的能源危机有关。现代以来,随着人口增加、工业发展,人类对煤、石油、天然气等化石能源的消耗速度越来越快,据测算,人类最多还能用两三百年的自然能源,即使核能也只能用数百年。

  此外,像煤、石油这些能源的燃烧还会引发温室效应、酸雨等,对环境造成严重破坏;核电站或核能发电厂的能量来源是核裂变(能量产生过程与核聚变相反),所需原料稀有,产生的废料也没法安全处理,还可能产生核泄漏。

  不光我们这一代,我们的子孙将从哪里弄这么多能源呢?科学家们带着这个惊恐的问题,把目光投向了核聚变。天空中的太阳就是一个巨大的聚变体,几十亿年为人类提供了光、热。那太阳是怎么做的呢?

  简单来说,当两个质量较轻的原子核聚合为一个较重的新原子核时,大量电子和中子能够逃离原子核的束缚,带来巨大能量。在自然界中,最容易实现的聚变反应是氢的同位素——氘(音同刀)和氚(音同川)的聚变。据测算,1千克氢燃料经过聚变反应,至少可以抵得上4千克铀燃料或1000万千克优质煤燃料。

  要提取它们,方法也十分简便,成本也很低。我们从海水里舀一升水,其中就含有0.03克氘,它就可以产出300公升汽油这么大的能量。地球上的海水能提取45万亿吨氘,它们都聚变的话,能保证人类上百亿年的能源消耗。

  而且核聚变非常干净,因为聚变就是把两个氢核放在一起,当温度到了上亿度以后,它们就会聚合在一起,除了产出能量,其余产出的氦是一种清洁无害的元素。

  ②包住一团1亿度火球

  要实现核聚变,需要两个氢核互相吸引和碰撞,这需要超高的温度和压力。

  对太阳来说,这太容易了。太阳中心的温度高达2000万摄氏度,而且自身重力大,所需高温高压自己就有了,核聚变得以持续发生,从而不断释放能量。但是,要在地球上模拟太阳,需要把温度提升到超过1亿摄氏度,在这样高的温度下,混合了氘、氚的气体原子中带负电的电子和带正电的原子核已完全脱开,各自独立运动。这种完全由自由的带电粒子构成的高温气体被称为“等离子体”。它们的持续碰撞(以下比喻为“火球”)才能产生核聚变反应。

  但是,要做到这点,需要解决3个难点:一、用什么方法加热气体?二、在这个超过1亿摄氏度的“火球”面前,任何固体材料都会瞬间灰飞烟灭,那么,如何“盛放”它,并使之不飞散?三、怎样让“火球”一直保持在超过1亿摄氏度?

  上世纪50年代,人类利用核聚变原理制造了氢弹,但是,这种核聚变其实是大量聚变燃料挤压在一起,由于物质的惯性产生的,能量瞬间即释放,是不可控的,就像点燃一串鞭炮,其爆炸瞬间就完成了。那么,如何让这种爆炸像在超慢的镜头里那样发生,并变得可控制呢?

  苏联科学家们此后开始设想,既然固体材料不行,用磁场把这团上亿摄氏度的“火球”悬浮起来不就行了吗?他们设计了一种名为托卡马克(Tokamak)的环形容器。“托卡马克”这个词在俄语中,来源于制造这个容器所需的环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnet)、线圈(kotushka)。通过让混合了氘、氚的气体悬浮在一个像面包圈一样的环中,然后不断加热,等达到了上亿摄氏度以后它就产生核聚变,并输出大部分能量。这就是磁约束,这个磁场,这个环境,就叫托卡马克。

  ③有60个足球场那么大

  苏联科学家的理论构架堪称完美,实际进程却充满了坎坷和艰难。

  1985年,美、苏、欧、日共同启动“人造太阳”计划(简称“ITER”,在拉丁语中,它意为道路,旨在强调其提供安全、和平的能源的可能性),目标是要建造一个可自持燃烧的托卡马克核聚变实验堆。由于美国在1998年退出,该计划大幅修改了原初设计,设计费用达到50亿美元(1998年价)。2003年,中国和美国先后宣布参加该计划,两年后韩国宣布参加,随后,法国和日本开始了激烈的选址大战。终于,在2006年,欧、日、俄、中、美、韩和同年加入的印度草签了建设“人造太阳”计划的国际协定。

  需要说明的是,在这50亿美元中,欧盟贡献46%,其余6国各贡献约9%。根据协议,中国贡献中的70%以上由我国制造所约定的托卡马克部件折算,10%由我国派出所需合格人员折算,需支付国际组织的外汇不到20%。

  按照设计,“人造太阳”计划的反应堆设施总重量是埃菲尔铁塔的3倍,占地面积有60个足球场加起来那么大。这个反应堆建成后,能够把上亿摄氏度、由氘氚组成的“火球”约束在体积达837立方米的“面包圈”中,产生50万千瓦的聚变功率,持续时间达500秒。50万千瓦热功率已经相当于一个小型热电站的水平。

  目前,这个反应堆正在靠近法国南部普罗旺斯地区的艾克斯建造。科学家们要在“面包圈”上面设计16个大型超导环向场线圈,以产生强大的环向磁场。在这个“面包圈”的外面,还分布着各式测量它是否正常工作的系统。除了这些,整个反应堆还需要建造大型的供电系统、原料工厂和相关处理系统。

  按计划,这个反应堆将在2019年完成,并在本世纪50年代达到商用水平,目前已经开始采购大型部件。中国今年4月底向法国输出的脉冲高压变电站(PPEN)首台主变压器,就是其中约定的一件。它的主要功能是向磁体功率电源、辅助加热系统功率电源等各类子系统提供所需的脉冲功率。

  截至目前,中国科学家已经攻克了采购包任务中遇到的所有技术难关。我国交付“人造太阳”计划的采购包部件实现了100%国产化,而且全部一次性合格,并按期交付。该计划两任总干事对中方的评价是“中国在采购包的研发、生产方面领先于各方”。

  尽管有质疑者开玩笑说,这个奇迹永远是“还要再等30年”,但更多人坚信,我们离这样一个清洁且几乎是无限的能源已经很近了。(记者 彭训文)

(责编:林露、贺迎春)

分享让更多人看到

返回顶部