新一代“人造太陽(yáng)”又迎突破，離核聚變點(diǎn)火更近一步

　　提高三乘積，讓可控核聚變走向現實(shí)

　　◎實(shí)習記者 都 芃

　　依托現有核科技工業(yè)體系，凝聚核工程領(lǐng)域具有專(zhuān)業(yè)經(jīng)驗和技術(shù)基礎的相關(guān)研究單位和企業(yè)，逐步搭建聚變能的技術(shù)開(kāi)發(fā)體系和工業(yè)體系，集中力量開(kāi)展核聚變工程和技術(shù)攻關(guān)，再經(jīng)過(guò)三十年左右的時(shí)間，也就是到2050年左右，人類(lèi)將能利用核聚變能源。

　　段旭如

　　中核集團核聚變堆技術(shù)領(lǐng)域首席專(zhuān)家

　　核聚變，是一種核反應的形式，即輕原子核(例如氘和氚)結合成較重原子核(例如氦)時(shí)放出巨大能量的過(guò)程。在不加約束的情況下，核聚變往往是劇烈而不可控的。長(cháng)期以來(lái)，實(shí)現可控核聚變，為人類(lèi)的發(fā)展提供源源不斷的能源是人們的愿景。核聚變點(diǎn)火作為實(shí)現可控核聚變的關(guān)鍵步驟，是實(shí)現可控核聚變的前提和基礎。如今，實(shí)現核聚變點(diǎn)火這一目標，正在逐漸走向現實(shí)。

　　近日，中核集團核工業(yè)西南物理研究院傳來(lái)捷報，我國新一代“人造太陽(yáng)”(HL-2M)等離子體電流首次突破100萬(wàn)安培(1兆安)。

　　100萬(wàn)安培電流是個(gè)什么概念？有怎樣的關(guān)鍵意義？專(zhuān)家指出，達到100萬(wàn)安培這個(gè)數字，標志著(zhù)我國“人造太陽(yáng)”向著(zhù)核聚變點(diǎn)火邁出了重要一步。

　　三大關(guān)鍵參數，實(shí)現聚變點(diǎn)火必要條件

　　如果說(shuō)通過(guò)分裂重原子核來(lái)產(chǎn)生能源的核裂變，是將原本完整的鏡子打碎，那么核聚變可以說(shuō)恰恰相反，其產(chǎn)生能源的方式是將打碎的鏡子復原，通過(guò)“破鏡重圓”來(lái)釋放能量。

　　中核集團核工業(yè)西南物理研究院聚變科學(xué)所副所長(cháng)(主持工作)、HL-2M實(shí)驗負責人鐘武律向科技日報記者介紹，核聚變產(chǎn)生能源的基本原理是由于氫的同位素——輕原子核氘和氚結合成較重的原子核氦時(shí)會(huì )釋放巨大能量。太陽(yáng)內部便每時(shí)每刻都在發(fā)生著(zhù)類(lèi)似的核聚變反應，從而源源不斷地發(fā)出光和熱。

　　而想要兩個(gè)原本獨立的原子核克服各種阻礙合為一體，就需要溫度、密度、約束時(shí)間等參數滿(mǎn)足極為苛刻的條件。否則反應無(wú)法維持，核聚變就不會(huì )發(fā)生。

　　英國物理學(xué)家勞森在上世紀50年代對核聚變反應堆的能量平衡問(wèn)題進(jìn)行深入研究后，提出了核聚變研究中著(zhù)名的“勞森判據”，即當核聚變反應的能量產(chǎn)出率大于能量損耗率，并且有足夠能量使核聚變反應穩定持續時(shí)，通常意味著(zhù)核聚變點(diǎn)火成功。利用具體的計算公式，目前可以將勞森判據直觀(guān)地轉換為對溫度、密度、約束時(shí)間這三個(gè)參數的乘積，即所謂聚變三乘積大小的判斷。

　　鐘武律表示，衡量核聚變裝置及核聚變研究的水平，主要看三個(gè)參數：燃料的離子溫度、等離子體密度和能量約束時(shí)間，三者缺一不可。

　　而在磁約束核聚變裝置中，上述三個(gè)參數中的等離子體密度和能量約束時(shí)間恰恰與等離子體電流成正比。“等離子體電流越高，等離子體密度和能量約束時(shí)間這兩個(gè)參數就越高，就可以更加接近點(diǎn)火要求的聚變三乘積。”鐘武律說(shuō)，“因此，如果根據聚變三乘積的結果倒推，未來(lái)托卡馬克要實(shí)現穩定運行，等離子體電流必須超過(guò)1兆安。”

　　此外，鐘武律還介紹，聚變堆的聚變功率與等離子體電流的平方成正比，等離子體電流若提升10倍，聚變功率便可提升100倍。

　　多種先進(jìn)技術(shù)，不斷刷新各項國內國際紀錄

　　“勞森判據”已經(jīng)指出實(shí)現核聚變點(diǎn)火需要提高的三個(gè)參數，實(shí)現核聚變點(diǎn)火似乎已經(jīng)變成一場(chǎng)“開(kāi)卷”考試。可是答案雖已寫(xiě)明，“解題”過(guò)程卻仍需不斷探索。圍繞著(zhù)提高聚變三乘積、實(shí)現核聚變點(diǎn)火這一最終目標，多年來(lái)，我國的托卡馬克裝置不斷刷新著(zhù)新的紀錄。

　　托卡馬克裝置通常有著(zhù)大體相似的結構，鐘武律向記者介紹，托卡馬克裝置的中央是一個(gè)環(huán)形真空室，里面注滿(mǎn)氣體，外面纏繞著(zhù)線(xiàn)圈。線(xiàn)圈通電后，會(huì )在托卡馬克內部產(chǎn)生巨大的螺旋型磁場(chǎng)，里面的氣體將被電離成等離子體并形成等離子體電流。當等離子體被加熱到極高溫度后，便可實(shí)現核聚變。

　　在此次新一代“人造太陽(yáng)”HL-2M實(shí)現等離子電流1兆安突破前，我國的另一個(gè)“人造太陽(yáng)”，由中國科學(xué)院等離子體所研制的被稱(chēng)為東方超環(huán)的全超導托卡馬克核聚變實(shí)驗裝置(EAST)也頻頻進(jìn)入大眾視野。它也是我國自主設計的世界首個(gè)非圓截面全超導托卡馬克。

　　在突破聚變三乘積的道路上，常規的托卡馬克裝置存在著(zhù)一定的固有缺陷。目前，世界上的多數托卡馬克裝置主要以實(shí)驗研究為目的，要不斷對約束等離子體的磁場(chǎng)的形態(tài)和性質(zhì)進(jìn)行深入研究。這就要求其約束磁場(chǎng)能夠長(cháng)時(shí)間穩定運行。雖然磁場(chǎng)可以約束上億攝氏度的等離子體，但是其本身卻并不穩定。維持強大的約束磁場(chǎng)，需要非常大的電流。但是普通線(xiàn)圈在高強度、長(cháng)時(shí)間通電后難免會(huì )大量發(fā)熱。如果僅從這一角度來(lái)看，常規托卡馬克在長(cháng)時(shí)間穩定運行方面存在著(zhù)諸多挑戰。

　　為了解決常規托卡馬克的瓶頸，超導技術(shù)便被引入到了托卡馬克建設中。超導材料由于具有顯著(zhù)的零電阻特性，幾乎不產(chǎn)生電阻熱，可以通過(guò)強大的電流穩定地產(chǎn)生強磁場(chǎng)，因此被認為是未來(lái)托卡馬克裝置的重要組成部分。

　　作為全球首個(gè)全超導托卡馬克，EAST的中間是高11米、直徑8米的圓柱形大型超導磁體，外側則由超導材料制成的線(xiàn)圈圍成。得益于超導材料的零電阻等特性，EAST在運行過(guò)程中可以大大節省供電功率，并且長(cháng)時(shí)間維持磁體工作。因此，EAST在能量約束時(shí)間這一參數上具有格外強大的優(yōu)勢。

　　同時(shí)，借助電子回旋與低雜波協(xié)同加熱等技術(shù)，EAST在建成后先后成功突破等離子體中心電子溫度1億攝氏度、可重復的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行、1056秒的長(cháng)脈沖高參數等離子體運行等多項國內、國際紀錄。

　　作為我國最新一代托卡馬克裝置，HL-2M采用的是常規磁體，應用了先進(jìn)的結構與控制方式。鐘武律表示，HL-2M的等離子體體積是國內同類(lèi)裝置的2倍以上，在未來(lái)，其等離子體電流能力將提高到2.5兆安以上。

　　一個(gè)宏偉目標，力圖2050年實(shí)現能源化利用

　　今年兩會(huì )期間，中核集團核聚變堆技術(shù)領(lǐng)域首席專(zhuān)家、國際熱核聚變實(shí)驗堆(ITER)計劃科技咨詢(xún)委員會(huì )副主席段旭如表示，若依托現有核科技工業(yè)體系，凝聚核工程領(lǐng)域具有專(zhuān)業(yè)經(jīng)驗和技術(shù)基礎的相關(guān)研究單位和企業(yè)，逐步搭建聚變能的技術(shù)開(kāi)發(fā)體系和工業(yè)體系，集中力量開(kāi)展核聚變工程和技術(shù)攻關(guān)，再經(jīng)過(guò)三十年左右的時(shí)間，也就是到2050年左右，人類(lèi)將能利用核聚變能源。

　　目前在磁約束核聚變領(lǐng)域，集結了全球多個(gè)主要經(jīng)濟體的“國際熱核聚變實(shí)驗堆(ITER)計劃”最為受人矚目。該計劃的目標是建設能產(chǎn)生大規模核聚變反應的托卡馬克裝置。

　　段旭如表示，我國自2006年正式參加ITER計劃以來(lái)，承擔了ITER裝置重要關(guān)鍵部件的制造任務(wù)。我國多個(gè)托卡馬克裝置在吸收ITER先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，也為ITER計劃提供了寶貴的研究參考。利用ITER計劃這一良好國際合作平臺，我國的聚變研究得到了快速發(fā)展，磁約束核聚變研究從過(guò)去的跟跑步入了并跑階段，部分技術(shù)達到國際領(lǐng)先水平。

　　此次實(shí)現突破的HL-2M裝置接下來(lái)也將繼續與ITER計劃展開(kāi)合作，開(kāi)展相關(guān)物理實(shí)驗，力爭掌握或突破聚變堆工程相關(guān)技術(shù)，如高功率輔助加熱和電流驅動(dòng)、偏濾器排灰排熱、聚變產(chǎn)物診斷等關(guān)鍵技術(shù)。

　　鐘武律表示，HL-2M不僅可以實(shí)現高參數的等離子放電，其離子溫度也可達到1.5億攝氏度，實(shí)現與聚變堆相關(guān)的高密度、高比壓、高自舉電流等離子體運行。在未來(lái)，HL-2M將繼續有條不紊地開(kāi)展后續實(shí)驗工作，沖擊更高的等離子體電流和離子溫度等參數，全面提升聚變三乘積，實(shí)現我國“人造太陽(yáng)”研究的新飛躍。