B:最新的“人造太阳”装置将用于ITER计划吗?

  首先需要了解,什么是“人造太阳”装置。

  太阳的核聚变反应是自然产生的,而在地球上,要模拟核聚变的过程,必须让氘、氚按照掌握的规律去运行,实现能量的稳定输出,科学家将这一研究称作可控核聚变。

  实现可控核聚变,必须满足三大条件:离子温度达到1亿摄氏度以上、长时间约束在有限的空间中、足够高的密度。仅就第一个条件来说,目前任何已知的材料都无法抵挡那么高的温度。聪明的科学家利用强磁场的方式,把高温的等离子体和材料隔离,把它悬浮起来。这样的话,高温等离子体在磁场的约束下面,实现一个聚变反应。这样的装置被称为“托卡马克装置”,也就是俗称的“人造太阳”装置。

  ITER计划在法国建造一个巨大的托卡马克装置。但随着核聚变研究的深入,科学家们发现等离子体还有很多秘密有待揭示。为此,参与计划的国家建造了很多小型的托卡马克装置,进行核聚变的物理研究,以更全面地了解等离子体。

  中国有两个“人造太阳”装置,一个在合肥,一个在成都。位于成都的名为中国环流器二号M(HL-2M)装置,由中核集团核工业西南物理研究院承建。

  C、新一代“人造太阳”装置新在哪?

  中国环流器二号M(HL-2M)装置是中国最大的托卡马克装置。有多大?在中核集团核工业西南物理研究院,为它专门建造了一间超过15米高的总装厂房。

  6月6日,记者现场看到,已到位的核心部件放置在这里。刚刚交付的主机线圈,是个高达7.5米的金属塔块;主机真空室直径5.3米、高3.2米、重16吨,像一个环形状的飞碟,它将“套”在主机线圈的外面。移动这些核心部件,需要使用安装在厂房顶部的龙门吊。装置的“充电宝”——30万千伏安立式脉冲发电机组系统则安装在另外的房间,通过特别的管线连接,为装置提供大功率电量。

  它不仅规模大,参数也高,这意味着在实验过程中产生的现象更接近核聚变的真实反应,更有利于聚变堆核心技术研究。装置采用了更先进的结构与控制方式,有望将等离子体电流从我国现有装置的1兆安培提高到3兆安培,等离子体温度将超过2亿度——这将是太阳温度的20倍。

  D、“人造太阳”实验会产生放射性物质吗?

  现在,中国环流器二号M(HL-2M)装置开始总装,预计年内完成,明年开始调试、放电研究。

  与核裂变不同,核聚变反应堆不会产生污染环境的硫、氮氧化物,不会释放温室效应气体,也不会有放射性核废料,被认为具有绝对的安全性。但核聚变必须用到的氚元素带有放射性,虽然会β衰变,在实验中,会不会产生放射性物质,对研究人员造成伤害?

  杨青巍介绍,使用中国环流器二号M(HL-2M)装置进行的是物理实验,是以氚的同位元素氢、氘气体为“燃料”,通过类似变压器的原理使其产生等离子体,然后提高密度、温度,使其发生模拟聚变反应。这些研究是为了国际热核聚变实验堆(ITER)计划和中国聚变工程实验堆(CFETR)计划服务。而位于法国的ITER计划装置将进行氘-氚反应的实验。

  E、“人造太阳”实验面临哪些难题?

  关于可控核聚变发电,有一个“永远的50年后”魔咒。这个魔咒说的是,自20世纪50年代受控核聚变原理提出以来,每逢有媒体问到相关专家何时才能实现发电时,专家总说50年后。一个又一个10年过去了,直到20世纪末答案仍是这样。

  “40多年前,上大学时,我的老师就说,再过50年就可实现可控核聚变发电。”杨青巍笑说,“永远的50年后”困扰着一代又一代科学家。对可控核聚变,人类主要面临两大困难。

  第一、对堆芯物理的了解需要更深入。等离子体就是其中之一。要实现核聚变反应,离子温度需达到1亿摄氏度以上,并精准把握离子的密度和能量约束时间,但离子是游动的,如何有效地控制它,即实现核聚变的可控,目前还是难题,所以正不断实验深化对等离子体的认识。

  第二、面对如此苛刻的条件,建堆材料很难满足要求,有面向等离子体温度的第一壁材料、能承受强中子轰击的结构材料、能承受更强磁场更大电流的超导材料等等。这里面面临着极大的挑战,需要更多不同专业的科技人员不懈的努力。