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中国“人造太阳” 突破“卡脖子”

科学家 火星


中国“人造太阳” 突破“卡脖子”


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像太阳那样利用核聚变获得源源不断的清洁能源供应 ， 是人类长久以来的梦想 。 中国在利用受控核聚变去“种太阳”方面已经走在世界前列 。 2020年12月 ， 由中核集团核工业西南物理研究院聚变科学所研制的新一代“人造太阳”——中国环流器二号M装置（HL-2M）实现首次放电 。 承担这一高精尖科学项目的76人队伍中 ， 有57人为35周岁以下的青年人 。 今年五四青年节 ， 这支勇攀科技高峰的队伍荣获第26届“中国青年五四奖章集体” 。 《环球时报》记者近日专访了中国“种太阳”团队 ， 听他们讲述如何在国外的技术封锁下 ， 实现中国“聚变能源梦”的故事 。
【中国“人造太阳” 突破“卡脖子”】
新一代“人造太阳”装置
核心部件都是中国自主设计制造
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接受《环球时报》记者专访时表示 ， “‘人造太阳’以其资源丰富、环境友好和固有安全性等优势将成为人类未来的理想能源 ， 也是能最终解决人类社会能源与环境问题的有效途径 ， 对我国经济社会发展、工业建设具有重要战略意义 。 ”
但相较于核裂变原理在核电站中的成熟应用 ， 人类想要“驾驭”热核聚变反应 ， 却面临着诸多难题与挑战 。
钟武律介绍称 ， 核聚变发生的条件非常苛刻 ， 这个过程首先需要在极度高温的条件中进行 ， “原子核必须具备足够高的动能 ， 如温度达到上亿度 ， 才能克服原子核间的库伦排斥力 ， 相互靠得足够近 ， 以便让短程核间吸引力发挥主要作用” 。 此外还需要创造等离子体高密度的条件 ， “氘氚原子核的密度足够高 ， 才可以提高原子核之间碰撞而发生核聚变反应的概率” 。 而想要实现可控核聚变还需要维持一个较长的能量约束时间 ， “将高温高密度的核反应条件维持足够长的时间 ， 才能使核聚变反应得以持续进行” 。
在钟武律看来 ， 虽然核聚变的原理说起来简单 ， 但开发核聚变能却是对人类的科学与技术极限的挑战 ， 因为这要求在人工控制条件下 ， 等离子体的离子温度、密度与能量约束时间“三乘积”必须达到一定值 。 在科学上 ， 将维持核聚变反应堆中能量平衡的这个特殊条件被称为“劳森判据” 。 “只有核聚变反应释放出足够多的能量 ， 才可维持核聚变反应堆的运转并有可观的能量输出 ， 使聚变反应持续进行 。 ”
根据中国核能发展“热堆-快堆-聚变堆”三步走战略 ， 中国的目标是自主研发核聚变能反应堆 。 其中 ， 新一代“人造太阳”是我国开发核聚变能的重要举措 ， 它标志着我国自主掌握了大型先进托卡马克装置的设计、建造、运行技术 ， 将为下一步我国自主设计、建造聚变堆奠定坚实基础 。
钟武律介绍称 ， 新一代“人造太阳”是我国目前规模最大、参数能力最高的磁约束核聚变实验研究装置 ， 它采用先进的结构与控制方式 ， 等离子体体积达到国内现有装置2倍以上 ， 等离子体电流能力提高到2.5兆安培以上 ， 等离子体离子温度可达到1.5亿度 ， 能实现高密度、高比压、高自举电流运行 。 该装置同时也是目前国际上首个具备在兆安培等离子体电流下实现多种先进偏滤器位形能力的核聚变先进研究平台 。 “装置的核心部件都是中国自主设计制造 ， 它是实现我国核聚变能开发事业跨越式发展的重要依托装置 ， 也是我国消化吸收世界最大国际合作项目之一——国际热核聚变实验堆（ITER）技术不可或缺的重要平台 。 ”

科技人员在新一代“人 造太阳”真空室内讨论 。
突破技术封锁 ， 提升中国制造
据《环球时报》记者了解 ， 新一代“人造太阳”由真空室、线圈系统、发电机组和支撑结构等核心部件组成 。 在这个中国“人造太阳”背后 ， 有着一连串打破国外技术封锁、填补国内空白的励志故事 。
以真空室为例 ， 该装置为“人造太阳”放电实验提供超真空环境 ， 用来盛装上亿度高温等离子体 ， 比宇宙空间环境的真空度还要低好几个数量级 。 设计研发初期 ， “种太阳”团队走访了10余家大型制造企业 ， 均因该设备的设计精度高、制造难度大、薄壁件焊接变形控制难、国内无相关经验等原因被告知无法加工 。 团队将科学设计参数细化为一张张可实现的工程图纸 ， 以共同研发和手把手教学的方式指导厂家加工 。 经过6年艰难探索 ， 团队制造出我国首台D形截面特材双层双曲率薄壁件全焊接环状超高真空容器 ， 相关工艺和技术指标达到国际领先水平 。

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