“人造太陽”掀起綠色能源革命 溫度升高到1億度

東方超環(huán)再升級

幾十年來，人們一直在研究和改進磁場的形態(tài)和性質(zhì)，以達到長時間的等離子體的穩(wěn)定約束，還要解決等離子體的加熱方法和手段，以達到聚變所要求的溫度。

把氘、氚的等離子體瞬間加熱到1億攝氏度，并至少持續(xù)1000秒，才能形成持續(xù)反應(yīng)，讓核聚變?yōu)槿祟愃谩|方超環(huán)(EAST)寄托著中國科學(xué)家的期望。

報道稱，東方超環(huán)的主機部分，高11米，直徑8米，重400噸，作為世界上第一個全超導(dǎo)非圓截面核聚變實驗裝置，集中了超高溫、超低溫、超大電流、超強磁場和超高真空5個極限。從設(shè)計到建設(shè)，整個項目的自研率在90%以上，取得了68項具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和成果。目前，中國在ITER七方采購包進度中已成為第一位。

EAST國際顧問委員會不久前在合肥召開第五次會議稱，EAST是目前國際上唯一有演示未來ITER將會遇到關(guān)鍵物理和技術(shù)問題的裝置，毫無疑問這對于ITER及未來的聚變電站都具有重要借鑒意義。例如，EAST在國際上首次采用高溫超導(dǎo)電流引線，而中國這一技術(shù)成功應(yīng)用于ITER，可為ITER節(jié)省人民幣1000萬元/年的制冷電耗，并可減少1.5億元人民幣的低溫系統(tǒng)建設(shè)投資。

正在接受升級的中國“人造太陽”，為新一輪的物理實驗作準備，與此同時，日前，超級計算機“π”系統(tǒng)在上海交通大學(xué)上線運行，將支持“人造太陽”的慣性約束核聚變項目等高端科研工程。

據(jù)了解，“π”系統(tǒng)峰值性能達到263萬億次，位列最新全球TOP500榜單第158名，將成為“IFSA慣性約束聚變科學(xué)與應(yīng)用協(xié)同創(chuàng)新中心”的超算核心支持平臺。

上海交大激光等離子體教育部重點實驗室特別研究員陳民介紹說，人類對于可受控核聚變的研究離不開超級計算機技術(shù)。慣性約束聚變反應(yīng)過程中的壓力相當(dāng)于1萬億個標(biāo)準大氣壓，氘和氚會被壓縮到僅有同質(zhì)量液體體積的千分之一，反應(yīng)時間最多只有100億分之一秒。現(xiàn)有實驗探測手段很難深入到聚變?nèi)剂蟽?nèi)部進行測量，只能利用超級計算機模擬，研究其中的物理細節(jié)。更高性能的超級計算機的出現(xiàn)，將大大增加理論模擬的能力，加快研究進程，讓人們早日實現(xiàn)可受控的人造小太陽。

未來挑戰(zhàn)

利用可控聚變能是解決全球能源和環(huán)境問題的一個重要途徑，而實現(xiàn)聚變反應(yīng)堆商業(yè)化運行需要3個階段：建造ITER裝置并據(jù)此進行科學(xué)和工程研究；設(shè)計、建造與運行聚變示范電站；建造商業(yè)化聚變反應(yīng)堆。

ITER本身將不能被用來發(fā)電，發(fā)電重任將交給聚變示范電站。但迄今為止尚沒有一座反應(yīng)堆能夠產(chǎn)生凈能量增益(即產(chǎn)出能量大于輸入能量)，科學(xué)家期望ITER能夠突破上述障礙。

《科學(xué)》雜志網(wǎng)站曾報道，歐盟負責(zé)聚變研發(fā)工作的機構(gòu)——歐洲聚變發(fā)展協(xié)會(EFDA)發(fā)布了歐盟聚變示范電站(DEMO)設(shè)計與開發(fā)路線圖，計劃于2050年建成一座未來可供工業(yè)界使用的原型聚變電站。該路線圖認為，人類在利用聚變發(fā)電方面取得進展的關(guān)鍵在于ITER，因此需要傾力確保其成功，其中包括研究現(xiàn)有小型反應(yīng)堆的各種運營方案。路線圖指出，最大的技術(shù)挑戰(zhàn)是如何從未來的聚變反應(yīng)堆中排除核反應(yīng)后的廢氣。

中國科學(xué)院等離子體物理研究所正積極開展中國下一代超導(dǎo)聚變堆(CFETR)的設(shè)計和相關(guān)預(yù)研，期望通過5-6年的努力，完成中國聚變工程實驗堆的設(shè)計和關(guān)鍵部件預(yù)研，具備建設(shè)世界第一個能夠長時間發(fā)電的聚變實驗工程堆的能力，在下一個5年計劃的中后期開始中國磁約束工程實驗堆的立項和建設(shè)。尹曉宇