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新奥“人造太阳” 玄龙-50 我国首座中等规模球形托卡马克聚变实验装置建成

北极星电力网新闻中心  来源:科技日报  作者:操秀英  2019/8/13 8:39:19  我要投稿  
所属频道: 核电   关键词: 核聚变 核电 核能

北极星核电网讯:我国首座中等规模球形托卡马克聚变实验装置——新奥“玄龙-50”8日在河北廊坊建成,并实现第一次等离子体放电,正式启动物理实验。该装置是托卡马克聚变和仿星器聚变装置之后的另一种磁约束高温等离子体实验装置。

据介绍,该装置由新奥集团自主设计建造。新奥“玄龙-50”装置建设项目于2018年10月启动,通过系统组织、分工协同,用10个月左右的时间完成了装置的设计、制造、安装和调试工作。装置的快速建成,为加速聚变研究提供了一个功能相对齐全的实验平台。

新奥集团长期致力于清洁能源技术创新,其所属的能源研究院于2017年开始对聚变技术进行探索,并以紧凑型、无污染、低成本为主要研究方向,建有国内首个省级紧凑型聚变重点实验室,并于2018年4月举办了紧凑型聚变技术国际研讨会。在项目推进中,河北省、廊坊市两级科研主管机构给予了极大的支持。

据悉,作为我国聚变研发的有生力量,新奥紧凑型聚变重点实验室与中国工程物理研究院、中科院等离子体物理研究所、中核西南物理研究院等单位开展联盟合作。新奥的国际化聚变团队具有深厚的理论与实验研究基础,其目标是力争在30年内实现聚变能源商业化。

延伸阅读

人造太阳计划,人类永久性清洁能源

人造太阳计划也叫“国际热核聚变实验堆(ITER)计划”,是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一,建造约需10年,耗资50亿美元(1998年值)。

2003年1月,国务院批准我国参加ITER计划谈判,2006年5月,经国务院批准,中国ITER谈判联合小组代表我国政府与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国共同草签了ITER计划协定。我国参加ITER计划是基于能源长远的基本需求。

该计划将集成当今国际上受控磁约束核聚变的主要科学和技术成果,首次建造可实现大规模聚变反应的聚变实验堆,将研究解决大量技术难题,是人类受控核聚变研究走向实用的关键一步,因此备受各国政府与科技界的高度重视和支持。

怎样才能实现“人造太阳”?科学家想了一个办法,就是把一团上亿℃的等离子体火球,用磁场把它悬浮起来,跟周边的任何容器材料不接触。这时,就可以对它加热、控制,进而实现“受控的核聚变”,实现“人造太阳”。与不可再生能源和常规清洁能源不同,聚变能具有资源无限,不污染环境,不产生高放射性核废料等优点,是人类未来能源的主导形式之一,也是目前认识到的可以最终解决人类社会能源问题和环境问题、推动人类社会可持续发展的重要途径之一。

国际热核聚变实验堆计划参与各方2005年6月28日在莫斯科作出决定,世界第一个热核聚变实验堆将在法国建造。2006年5月24日,ITER计划实质上进入了正式执行阶段,即将开始工程建设,也标志着我国实质上参加了ITER计划。

众所周知,重原子核在中子打击下分裂放出的"裂变能"是当今原子能电站及原子弹能量的来源,而两个氢原子核聚合反应放出"核聚变能"就是宇宙间所有恒星(包括太阳)释放光和热及氢弹的能源。人类已经能控制和利用核裂变能,在所有的核聚变反应中,氢的同位素---氘和氚的核聚变反应(即氢弹中的聚变反应)是相对比较易于实现的。

氘氚核聚变反应也可以释放巨大能量。氘在海水中储量极为丰富,一公升海水里提取出的氘,在完全的聚变反应中可释放相当于燃烧300公升汽油的能量;氚可在反应堆中通过锂再生,而锂在地壳和海水中都大量存在。氘氚反应的产物没有放射性,中子对堆结构材料的活化也只产生少量较容易处理的短寿命放射性物质。聚变反应堆不产生污染环境的硫、氮氧化物,不释放温室效应气体。再考虑到聚变堆的固有安全性,可以说,聚变能是无污染、无长寿命放射性核废料、资源无限的理想能源。受控热核聚变能的大规模实现将从根本上解决人类社会的能源问题。

考虑到氘和氚原子核能产生聚变反应的条件,若要求氘、氚混合气体中能产生大量核聚变反应,则气体温度必须达到1亿度以上。在这样高的温度下,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"。因此,实现"受控热核聚变"首先需要解决的问题是用什么方法及如何加热气体,使得等离子体温度能上升到百万度、千万度、上亿度。但是,超过万度以上的气体是不能用任何材料所构成的容器约束,使之不飞散的,因此必须寻求某种途径,防止高温等离子体逃逸或飞散。

具有闭合磁力线的磁场(因为带电粒子只能沿磁力线运动)是一种最可能的选择。对不同设计出的"磁笼"中等离子体运动行为及防止逃逸的研究(即所谓稳定性研究),成为实现受控热核聚变的第二个难点。

如果要使高温等离子体中核聚变反应能持续进行,上亿度的高温必须能长时间维持(不论靠聚变反应产生的部分能量,或外加部分能量)。或者可以说,等离子体的能量损失率必须比较小。

提高磁笼约束等离子体能量的能力,建设一个连续运行的聚变反应堆还需要解决加料、排废、避免杂质、中子带出能量到包层、产氚及返送以及由于聚变反应产生大量带电氦原子核对等离子体的影响等一系列科学和工程上的难题。

苏联科学家发明的托克马克装置又称环流器给可行性带来了希望,它是一个由环形封闭磁场组成的"磁笼"。等离子体就被约束在这"磁笼"中,很像一个中空的面包圈,等离子体环中感生一个很大的环电流。随着各国大小不一的托克马克装置的建成、投入运行和实验,托克马克显示了较为光明的前景:等离子体达到了数百万度,等离子体约束也获得了明显效果。科学家们认识到,如果扩大此类装置的规模,有可能获得接近聚变条件的等离子体。

由于聚变能的研究不仅关系到最终解决人类能源问题,而且还涉及众多最先进且非常敏感的技术,因此,ITER计划的形成除与科学技术本身的发展有关外,还始终与主要大国在政治和外交方面的考虑分不开。

人造太阳的整个体系还包括:大型供电系统、大型氚工厂、大型供水(包括去离子水)系统、大型高真空系统、大型液氮、液氦低温系统等。

ITER本体内所有可能的调整和维修都是通过远程控制的机器人或机器手完成。

ITER装置不仅反映了国际聚变能研究的最新成果,而且综合了当今世界各领域的一些顶尖技术,如:大型超导磁体技术,中能高流强加速器技术,连续、大功率毫米波技术,复杂的远程控制技术等等。

点火装置由这个世界上最大的激光聚变机器完成,它坐落在加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室(NIF)的一个特大号“仓库”里。在装置内部,激光器会产生192条激光束,射向一个含氘氚的氢球形靶丸上使其崩溃,并产生一亿摄氏度左右的高温,从而触发氢原子聚变,释放大量能量。激光和氢靶丸的碰撞过程极其短暂,仅持续数几个纳秒(1纳秒等于10亿分之1秒)。为了达至临界点或者说点燃反应堆,激光器的设计能量为1.8兆焦耳。

但点火靶球却在极端的温度和压力下屡次过早破裂。激光器的发射重复率还很低,无法持续聚变产能。“这是因为,目前激光器所使用的玻璃放大介质无法满足既在单位时间内能发射更多次数,又保证激光束的质量。”

况且,NIF的激光器每天只能发射几次。只有当每秒钟发生三四次甚至更多的核聚变且连续不断地进行下去,并且每次聚变的能量增益达到10~100倍,才能实现实用化。

为了提高激光发射的重复率,科学家也在研发新型激光器,由中国自行设计、研制的世界上第一个全超导托卡马克EAST(原名HT--7U)核聚变实验装置(又称“人造太阳”),2006年成功完成首次工程调试,2007年3月通过国家验收,走到世界前列。

核聚变所需要的除了氘以外,还需要另一种原料氚。氘和氚的剧烈反应,才能发生聚变。氚的半衰期只有12.3年,而每年一个100万千瓦的核聚变电站发电就要燃烧56公斤的氚。

作为地球上最稀有的元素,获取氚的成本非常高。来自国家“青年千人计划”学者、核工业西南物理研究院聚变科学所副所长许敏说:“一个最好的办法,就是在核聚变反应中产生氚,并且使得氚能够自持。这也就意味着,燃烧掉了多少氚,还要产生出等量的氚来。”

在研究“人造太阳”的过程中,会产生大量的前沿尖端技术。很多都有广泛的军事和商业应用前景。

以试验中使用的高功率微波技术来说,可以广泛使用到通信领域,实现国产化并能够节省大量成本。其次,等到核聚变电站能够并网发电后,核聚变能源的生产成本相对低廉,普通老百姓都能消费得起。“目前业内人士普遍认为这个时间节点是2050年。我算了一下,那个时候,我应该可以看到,期待灯泡被核聚变点亮。”许敏说。

据新华社消息,2019年6月5号,中国人造太阳已经进入全面工程安装阶段。6月5日,中国环流器二号M(HL-2M)装置主机线圈系统在成都成功实现交付,其中心柱的研制是整个线圈系统最具挑战性的任务,线圈中心柱由20组环向场线圈中心段组件和中心螺旋管线圈装配而成,总体重量约90吨。中心柱制造难度大,工艺精度要求极高,高冲击载荷条件下运行寿命要求不低于10万次,这标志着中国自主研制的新一代“人造太阳”总体安装正式开始,中国人离实现聚变清洁能源的梦想又跨近一步。

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