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凌步微波:1亿度!中国核聚变再获里程碑突破,美国压力山大

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发表于 2018-11-13 09:11:04 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
  利用核裂变原理,人类已建造了几百个核电站。现在,开始向核聚变利用进军。

  中国核聚变里程碑:首次实现1亿度运行

  1亿摄氏度,1000秒。这两个数字是横亘在全球科学家面前的两座难以跨越的山峰。要让核聚变为人类所利用,就意味着要把氘、氚的等离子体瞬间加热到1亿摄氏度,并至少持续1000秒,才能形成持续反应。
中国核聚变里程碑:首次实现1亿度运行

  11月12日,中科院等离子体所发布消息,我国大科学装置“人造太阳”日前取得重大突破,实现加热功率超过10兆瓦,等离子体储能增加到300千焦,等离子体中心电子温度首次达到1亿度,获得的多项实验参数接近未来聚变堆稳态运行模式所需要的物理条件,朝着未来聚变堆实验运行迈出了关键一步,也为人类开发利用核聚变清洁能源奠定了重要的技术基础。

  “东方超环”EAST作为世界上第一个全超导非圆截面核聚变实验装置,集中了超高温、超低温、超大电流、超强磁场和超高真空等多项极限。

  东方超环(EAST)是等离子体所自主设计、研制并拥有完全知识产权的磁约束核聚变实验装置,是世界上第一个非圆截面全超导托卡马克,也是我国第四代核聚变实验装置,它的科学目标是让海水中大量存在的氘和氚在高温条件下,像太阳一样发生核聚变,为人类提供源源不断的清洁能源,所以也被称为“人造太阳”。该大科学装置瞄准未来聚变能商用目标的关键科学问题,近年来在高性能、稳态、长脉冲等离子体研究方面取得了多项原创性成果。
利用磁场对等离子进行约束的托卡马克装置

  2017年7月5日,EAST曾创造当时国际核聚变反应最好的成绩,让5000万摄氏度等离子体持续100.12秒。EAST差不多16—17个月左右的时间,综合参数能够翻一倍。

  2018年度EAST物理实验持续经历4个多月,物理实验面向未来聚变堆先进稳态运行模式的发展和长脉冲运行下的关键科学技术问题,重点开展了高功率加热下堆芯物理机制研究的系列实验。通过优化稳态射频波等多种加热技术在高参数条件下的耦合与电流驱动、等离子体先进控制等,结合理论与数值模拟,实现加热功率超过10兆瓦,等离子体储能增加到300千焦;在电子回旋与低杂波协同加热下,等离子体中心电子温度达到1亿度,并有效拓展了适应于聚变堆高性能等离子体稳态高约束模式的运行区间,实现了高约束、高密度、高比压的完全非感应先进稳态运行模式,获得的归一化参数接近未来聚变堆稳态运行模式所需要的物理条件。EAST取得的这些实验成果为未来国际热核聚变实验堆运行和正在进行的中国聚变工程实验堆CFETR工程和物理设计提供了重要的实验依据与科学支持。

  我国下一代核聚变装置——中国聚变工程试验堆(CFETR)已于2011年开始进行设计研究。

  中国有望建成世界首个聚变实验电站

  2017年12月5日,“中国聚变工程实验堆集成工程设计研究”项目启动会在中国科学技术大学举行,会上宣布中国聚变工程实验堆(CFETR)正式开始工程设计,中国核聚变研究由此开启新征程。

  中国曾在2006年加入国际热核聚变实验堆(ITER)建设,在这一过程中,科学家们自主建设创新,展开高水平研究。此次规划建设的中国聚变工程实验堆(CFETR),将是中国自主设计和研制,联合国际合作的重大科学工程。
中国有望建成世界首个聚变实验电站

  中国工程院院士李建刚称,“同为核聚变装置,不过全超导托卡马克(EAST)是实验装置,主要用作研究。而中国聚变工程实验堆(CFETR)是将研究走向实用化。可以理解为,一个是模型火车,一个是高铁。”

  CFETR计划分三步走,完成“中国聚变梦”。第一阶段到2021年,CFETR开始立项建设;第二阶段到2035年,计划建成聚变工程实验堆,开始大规模科学实验;第三阶段到2050年,聚变工程实验堆实验成功,建设聚变商业示范堆,完成人类终极能源。

  以实现聚变能源为目标的CFETR是中国聚变能研发必不可少的一环,直接瞄准未来聚变能的开发和应用,有望建成世界首个聚变实验电站。

  国际合作“人造太阳”,中国贡献大

  在法国南部海港城市马赛以北约80公里处的圣保罗莱迪朗斯小镇——一个群山环绕、风景如画的地方,参加国际热核聚变实验反应堆计划(ITER)的数千名来自不同国家的科学家、工程师和管理人员们正在埋头“筑梦”。

  ITER是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一,至今已建设近11年,欧盟、中国、美国、日本、韩国、印度和俄罗斯等七方共同资助这一项目,其中欧盟出资约45%,其他6方各承担约9%,总投资额达至少180亿欧元。

  事实上,与ITER相比,EAST只有其1/4大小。但麻雀虽小,五脏俱全,EAST的成功经验已经支撑了ITER的建设。如研制出可通过90千安电流的高温超导电流引线,使ITER制冷电耗每年减少2/3以上;证明ITER磁体电源设计方案存在的风险,并设计出新方案。
国际合作“人造太阳”,中国贡献大

  2015年就任的ITER组织总干事贝尔纳·比戈告诉记者,目前反应堆的工程建设已经完成一半以上,根据目前的日程表,ITER将于2025年实现首次点火,产生第一束等离子体,然后将于2035年开始聚变实验,最终将于2050年左右实现核聚变能的商业应用。

  ITER项目的进展对于人类解决能源短缺之困具有极其重要的意义。值得一提的是,在这一重大的国际合作项目中,中国的表现十分突出。

  据比戈介绍,中国是ITER非常重要的合作伙伴,仅今年以来,中国就交付了组建国际热核聚变实验反应堆所需的馈线、磁体支撑等多种重要部件,有利于相关实验如期顺利开展。

  比戈强调,中国是这一世界最大“人造太阳”项目“非常、非常好的合作伙伴”,中国交付相关产品“按时保质”,堪称合作各方的榜样。在公开介绍ITER计划进展的新闻发布会上,比戈甚至情不自禁地指着大屏幕上显示的由中国生产和交付的部件说:“你们请看,这些部件都来自中国。”

  美国计划15年内建成全球首个核聚变电站

  据英国《卫报》等多家外媒报道,美国麻省理工学院(MIT)正在开展一项核聚变研究项目,致力于利用新技术加速聚变能的发展,计划在未来15年内,建成全球首个核聚变发电站,并让其连接上电网。该座核聚变电站设计功率为200兆瓦。

  该项目由麻省理工学院和一家私人企业CFS(Commonwealth Fusion Systems)合作开发,目的是将核聚变从昂贵的科学实验阶段,转化为具有经济性的商业项目。

  麻省理工学院表示,项目吸引了意大利能源公司埃尼(ENI)前来投资。ENI已向CFS公司投资了5000万美元,其中3000万美元将用于麻省理工学院未来三年对该项目的研究。
美国计划15年内建成全球首个核聚变电站

  麻省理工学院在托卡马克装置的基础上进行了延伸,计划建设一个紧凑型聚变实验装置 SPARC。SPARC的关键是建立一种强大的超导电磁铁,利用强大的磁场将聚变能力变为现实。麻省理工学院与 CFS团队计划用三年时间完成对超导电磁铁的研究。

  据麻省理工学院介绍,制造该超导磁铁的超导材料,是一种涂覆有钇-钡-氧化铜(YBCO)复合材料的钢带。该材料的使用,能够使超导磁铁具有磁场强度高、成本低等优势。

  磁场越强,等离子体与普通物质隔离的越好,并且需要更少的空间来保持等离子体。基本上更强的磁铁意味着更小,更快,更便宜的聚变发生器。这里的突破性技术来自于高温超导材料。通常,超导体需要非常冷才能运行,但研究人员正在使用的新化合物让超导体可以在更高的温度下发挥作用。

  SPARC将成为一种类似于现在运行的其他聚变机器的托卡马克聚变装置,研究人员希望到2025年让SPARC投入运营。

  第四代核武器,已经在路上

  核武器因为其强大威力而为世人所瞩目,如今已经发展到了第四代。

  第一代:“原子弹”是核裂变——由中子轰击铀-235或钚-239,使其原子核裂开产生能量;

  第二代:“氢弹”是核裂变加核聚变——由原子弹引爆氢弹,原子弹放出来的高能中子与氘化锂反应生成氚,氚和氘聚合产生能量;“氢铀弹”(三相弹)也属于第二代,是核裂变加核聚变加核裂变——它是在氢弹的外层又加一层可裂变的铀-238;

  第三代:“中子弹”(增强辐射弹)是一种特殊类型的小型氢弹,是核裂变加核聚变——但不是用原子弹引爆,而是用内部的中子源轰击钚-239产生裂变,裂变产生的高能中子和高温促使氘氚混合物聚变。它的特点是:中子能量高、数量多、当量小。如果当量大,就类似氢弹了,冲击波和辐射也会剧增,就失去了“只杀伤人员而不摧毁装备、建筑,不造成大面积污染的目的”。也失去了小巧玲珑的特点。中子弹最适合杀灭坦克、碉堡、地下指挥部里的有生力量。
第四代核武器,已经在路上

  除了上面三代核武器以外,正在研究第四代核武器,第四代就是核定向能武器:因为这些核弹不产生剩余核辐射,因此可作为“常规武器”使用,主要种类有:

  反物质弹、粒子束武器、激光引爆核炸弹、干净的聚变弹、同质异能素武器等。 第四代的另一特点是突出某一种效果,如突出电磁效应的电磁脉冲弹,使通讯信号混乱。他可以使高能激光束、粒子束、电磁脉冲等离子体定向发射,有选择地攻击目标,单项能量更集中,有可控制的特殊杀伤破坏作用。

  中国除了在核聚变研究方面发力之外,还研发出了金属氮、复合氮和全氮阴离子盐等,在全球超高含能材料领域保持领先地位。

  据《科技日报》7月9日报道,中科院中科院合肥物质科学研究院获悉,该院固体物理研究所亚历山大·冈察洛夫团队的科研人员成功合成了超高含能材料聚合氮和“金属氮”,这两种材料的能量密度为TNT的10倍多。研究揭示了“金属氮”合成的极端条件范围、转变机制和光电特征等关键问题。中国高能材料研究在迈向“N2爆弹”和“金属氢”的道路上又进一步。

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