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专访中核集团核工业西南物理研究院聚变科学所副所长钟武律 解读“人造太阳”和核聚变的奥秘

时间:2021-01-13 19:11:36 来源: 丹江口市第一中学 作者: 赵有强 阅读:197

  央广网北京12月6日消息(记者周尧)据中央广播电视总台中国之声《新闻晚高峰》报道,近日,我国核聚变发展取得重大突破。2020年12月4日,新一代“人造太阳”装置——中国环流器二号M装置(HL-2M)在成都建成并实现首次放电,为我国核聚变堆的自主设计与建造打下坚实基础。

  那么,究竟什么是“人造太阳”?它的建成实现了哪些技术突破和自主创新?中国之声独家专访了中核集团核工业西南物理研究院聚变科学所副所长钟武律。

  俗话说,万物生长靠太阳。太阳的核心温度大概在1500万℃—2000万℃,而地球上的金属材料在1000℃左右就会融化。钟武律介绍,中国的“人造太阳”所要做的,就是在地球上建一个能够承受住1亿℃,甚至超过2亿℃高温的装置。他说:“太阳到目前为止估计已经燃烧了大约50亿年。太阳为什么能够永不停歇地燃烧呢?因为它的质量非常大,它靠万有引力可以强有力地把聚变材料,也就是它外层的氢元素原子核不断地往太阳芯部挤压,实现一个非常高的温度、非常高的密度,自然而然就发生核聚变反应。”

  钟武律经常遇到人问他:我们已经有了一个太阳,为什么还要再造一个太阳呢?他解释说:“这种装置的原理和太阳发光发热的原理是类似的,就是核聚变的原理,所以它不是一个新的太阳,而是一个聚变装置,或者我们说它是一个聚变堆。其实我们最终的目的就是要利用它来实现核聚变,并且释放能量,用来发电。”

  核聚变实际上是整个宇宙的能源,建造“人造太阳”也是为了通过核聚变反应持续稳定地输出能量,最终解决人类的能源问题,从而造福人类。由于核聚变的原理和太阳发光发热的原理很相似,所以,这些以探索聚变清洁能源为目的的装置被人们称为“人造太阳”。

  目前,东方超环(EAST)、中国环流器二号A(HL-2A)、M(HL-2M)都属于“人造太阳”实验装置。钟武律介绍,此次建成的中国环流器二号M装置(HL-2M)是我国新一代先进磁约束核聚变实验研究装置。他说:“这个装置是我国自主设计建造,采用了先进的结构和控制方式,具有先进的偏滤器位形的优势。它是我国目前规模最大、参数最高的先进的托克马克装置。它的体积是目前国内现有装置的两倍以上,等离子体电流的能力可以提高到2.5个兆安培,等离子体离子的温度可以达到1.5亿℃,即太阳核心温度的10倍。”

  在HL-2M装置建设过程中取得了多项突破,实现了可拆卸线圈结构,增强了控制运行水平,提升了装置物理实验研究能力,攻克了高镍合金双曲面薄壁件大型真空容器模压成型和焊接变形控制等关键技术,掌握了具有国际先进水平的异形铜合金厚板材制造成型工艺,实现了高强度膨胀螺栓组件的自主国产化等。

  我国核能发展实施“热堆-快堆-聚变堆”三步走战略中,将聚变能作为解决能源问题的最终一步。那么,核聚变究竟对我们未来有什么样的意义和影响呢?

  核聚变,又称核融合,简单说,就是两个质量较轻的原子核融合在一起形成一个重核的过程,它与核裂变原理相反。人类已经可以实现不受控制的核聚变,如氢弹的爆炸。钟武律介绍,想利用核聚变能,就必须要让核聚变变得可控,这就意味着必须要满足三个非常苛刻的条:“第一个条件,它需要的温度特别高,因为只有温度特别高,它的这个原子核才会具备足够高的动能,才会跑得更快;第二个条件,等离子体的密度要足够高,高的概念就是原子核之间碰撞发生聚合反应的概率要提高;第三个就是要长时间地控制住这些原子核,将高温高密度的核反应条件维持足够长的时间,这样才能够使核聚变发生,并且可以持续下去。”

  然而在地球上,没有任何材料可以把1亿℃高温的等离子体给直接包裹起来。但是科学家想到了一个办法——用强磁场的方式,把带电粒子约束住。钟武律回到核西物院的时候,正好赶上2A团队重点攻克一项关键技术——实现高约束模式运行。经过1万多次的实验,团队终于在2009年于国内首次实现了高约束模运行。

  人类对于清洁能源的期待是没有废气、没有放射性废物排放、资源丰富的一种能源。钟武律介绍,核聚变能恰恰就是这样一种能源。“第一,核聚变的反应燃料资源是非常丰富的,其中核聚变反应的燃料氘是可以从水里面提取的;第二个特点就是核聚变的反应是具有固有安全性的,它不存在所谓的不可控,不存在所谓的爆炸;第三,因为核聚变反应不会排放废气,不会有温室气体的产生,也不会产生长寿命的放射性产物,所以它是目前人类认识到的最理想的能源。”钟武律说。

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