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4月16日,新奥集团能源研究院对外称,其球形环氢硼聚变装置“玄龙-50U”取得重大技术突破,在国际上首次实现氢硼聚变等离子体100万安培放电。而在不久前,中核集团核工业西南物理研究院也传来好消息,新一代“人造太阳”装置——中国环流三号首次实现了原子核温度1.17亿度、电子温度1.6亿度的“双亿度”突破,并大幅提升了综合参数(如等离子体电流、能量约束时间)。这一里程碑式成果标志着我国可控核聚变技术迈入新阶段,正式进入“燃烧实验”阶段。
(来源:能源新媒 文/范珊珊)
三个月前,由中科院合肥物质科学研究院自主研制的全超导托卡马克核聚变(EAST)实验装置实现了超亿度、1066秒的长脉冲高约束模等离子体运行,实现从基础科学到工程实践的重大跨越。据公开数据显示,该运行时长突破了千秒量级,较EAST于2023年4月创造的403秒原纪录,延长了约1.5倍。
因无限、清洁和安全的特性,可控核聚变被认为是解决人类能源问题的终极方案。从上世纪60年代开始,各国不断在可控核聚变领域进行投入。然而,这项技术的实现难度之大,使得科学家们常常感叹,人类距离核聚变发电似乎永远相差50年。而近期国内核聚变三大装置取得的进展突破了这一“魔咒”,也标志着国聚变能源研究从基础科学向工程实践的重大跨越,中国核聚变的商业化进程正在提速。
打造中国的“人造太阳”
核聚变是轻原子核结合成较重原子核并放出巨大能量的过程。当前可控核聚变技术路线主要有三种,包括重力场约束核聚变、激光惯性约束核聚变和磁约束核聚变。其中,磁约束核聚变目前研究的装置包括托卡马克、仿星器等。
从20世纪50年代开始,我国与国际基本同步,开始了在可控核聚变领域的研究,并于1965年在四川乐山建成了我国核聚变研究基地——西南物理研究所(今中核集团核工业西南物理研究院)。当时,国际上不同的技术路线此消彼长,最终苏联科学家提出的托卡马克方案异军突起,国际核聚变界的重点研究方向随之转向了托卡马克。托卡马克装置成为全世界主流的核聚变装置。
托卡马克被誉为“人造太阳”,其装置的中央是一个环形的真空室,外面缠绕着线圈,在通电时内部会产生巨大的螺旋形磁场,将其中的等离子体加热到很高的温度,以达到核聚变的目的。
在我国,对于核聚变的研究形成了三股主要力量,以中科院合肥物质科学研究院和中核集团核工业西南物理研究院为主的“国家队”,新奥集团这样的民营企业以及市场化资本支持下的能量奇点、星环聚能等初创公司。这些研发主体核聚变主体不断在技术和装置取得投入和突破,创造了中国乃至全球的“首个”。
据新奥能源研究院院长刘敏胜博士介绍,新奥“玄龙-50U”兆安电流实验成功解决了电流产生和维持过程中的关键技术难题,让等离子体电流达到1MA,温度达到四千万度。这是全球首次实现兆安级氢硼等离子体放电。该成果验证了氢硼燃料在磁约束条件下实现高参数放电的科学可行性。
对于全世界的聚变装置而言,下一阶段的竞争就是谁先最早实现全超导的装置输出大于输入。AI加入正在让这一进程加速。
AI赋能聚变研究
4月20-23日,由中国核学会指导、中国核学会核聚变与等离子体物理分会主办、新奥集团承办的第四届“受控核聚变与人工智能技术学术会议”在廊坊举办。在为期三天的会议中,专家们围绕人工智能技术在核聚变领域的应用,包括装置运行控制、工程技术、数据分析等关键环节的赋能潜力展开深度研讨。
参加此次会议的专家们普遍认为,人工智能凭借高效处理海量实验数据、精准模拟复杂核聚变反应过程的能力,将大幅缩短研发周期、降低成本,已然成为核聚变商业化的“加速器”。人工智能可革新聚变研发范式,在控制调优、实验设计等方面提升效率,聚变能源也能为人工智能发展提供强大的能源支撑。
据新奥研发人员介绍,借助数智球形环等载体,将聚变装置知识数字化,结合人工智能技术,满足聚变反应堆全生命周期管理需求,有力地推动了球形环氢硼聚变技术研发。在等离子体破裂预测方面,新奥建立数据库并上线模型,召回率达83.3%,误报率5.3%,可提前30ms进行预测;中性束调优应用机器学习算法,预测打火准确率超90%。2025年,新奥还将扩大参数范围预测并实现自动化、智能化;此外,新奥还开展了诊断集成分析和平衡设计等项目,为聚变领域的发展注入了强大动力。
AI+核聚变似乎正在让“人造太阳”的商业化和我们的距离越来越近。
商业化还有多远?
新奥聚变首席科学家彭元凯和新奥聚变实验首席科学家石跃江看来,聚变还有“50年”的说法证明这一研究的历史困境,诸如基础科学突破缓慢、工程复杂度高、资金投入周期长等问题一直困扰着核聚变行业的发展,但当前核聚变领域取得的进展已显著改变这一预期。
在技术进步加速领域,高温超导磁体(如CFS公司)和新型位形(如仿星器、球形托卡马克)大幅提升磁场使用和装置设计效率;大量资本涌入也在推动这一进程,全球私人资本近5年投入超50亿美元,远超政府项目,美国Helion、中国星环聚能等企业计划2030年前实现示范堆。
在我国,2022年NIF实现净能量增益,托卡马克装置(如EAST)实现千秒级高约束模运行,环流-3号实现分别的电子及离子一亿摄氏度温度,玄龙-50U氢硼等离子体实现100万安培电流,证明科学可行性已接近。在磁约束聚变涉及的工程技术方面,中国应该是掌握最全面的,同时也具有最完善的产业链。
据刘敏胜介绍,新奥的核聚变商业化路线分为三步,第一步为2026年在“玄龙-50U”上实现氢硼聚变反应;第二步是到2030年在下一代聚变装置“和龙-2”实现全面的氢硼聚变;第三步是到2035年前实现工程可行性,将球形环氢硼聚变推进到商业化。
在科学家们看来,聚变研发正从“永远50年”进入“10~20年”窗口期,商业公司的高效运作可能进一步缩短时间。
中国在聚变研究方面的优势不仅在于工程创新,其在开发建造反应堆所需的材料、组件和诊断系统方面的速度和专注力,也领先其他国家。
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