我國人造太陽實(shí)驗裝置取得重大成果
“一團(tuán)耀眼的白光從山脈盡頭升起……”在科幻小說《三體》中，太空飛船核聚變發(fā)動機(jī)發(fā)出的光芒如同太陽。利用核聚變等技術(shù)，人類走出地球家園，走向廣袤宇宙。 DM\ pi9<m
萬物生長靠太陽。太陽之所以能發(fā)光發(fā)熱，是因為內(nèi)部的核聚變反應(yīng)。核聚變能具有資源豐富、環(huán)境友好、固有安全等突出優(yōu)勢，是人類理想的未來能源。如果能造一個“太陽”來發(fā)電，人類有望實(shí)現(xiàn)能源自由。 }~0}B[Rf
2024年，科技部、工業(yè)和信息化部、國務(wù)院國資委等七部門聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于推動未來產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的實(shí)施意見》，指出加強(qiáng)推進(jìn)以核聚變?yōu)榇淼奈磥砟茉搓P(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)。實(shí)現(xiàn)聚變能源應(yīng)用是我國核能發(fā)展“熱堆—快堆—聚變堆”三步走戰(zhàn)略的最終目標(biāo)。 AL InJ{X
可控核聚變作為典型的前沿性、顛覆性技術(shù)，未來一旦實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，將徹底改變世界能源格局，保障我國未來能源安全。 am| 81 )|a
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“人造太陽”從“核”而來 *`Ge8?qC
用1升水“釋放”燃燒300升汽油的能量 20Jlf ?
核聚變是將較輕的原子核聚合反應(yīng)而生成較重的原子核，并釋放出巨大能量。 K>\v<!%a
1952年，世界上第一顆氫彈成功試爆，讓人類認(rèn)識到氘氚核聚變反應(yīng)的巨大能量。但氫彈爆炸是不可控的核聚變反應(yīng)，不能提供穩(wěn)定的能源輸出。從此，人類便致力于在地球上實(shí)現(xiàn)人工控制下的核聚變反應(yīng)（即可控核聚變），希望利用太陽發(fā)光發(fā)熱的原理，為人類鋪展能源自由之路。因此，人們也將可控核聚變研究的實(shí)驗裝置稱為“人造太陽”。 C9FAX$$^(Y
氘氚聚變作為能源，具有明顯優(yōu)勢。首先，氘氚聚變所需燃料在地球上的儲量極為豐富。氘大量存在于水中，每升水可提取出約0.035克氘，通過聚變反應(yīng)可釋放相當(dāng)于燃燒300升汽油的能量；氚可通過中子轟擊鋰來制備，在地殼、鹽湖和海水中，鋰大量存在。其次，氘氚聚變反應(yīng)不產(chǎn)生有害氣體，無高放射性活化物，對環(huán)境友好。 *kj+6`:CPs
然而，“人造太陽”維持自身燃燒的條件非常苛刻。英國科學(xué)家勞遜在20世紀(jì)50年代研究了這一條件的門檻——也被稱為聚變點(diǎn)火條件。據(jù)計算，實(shí)現(xiàn)可觀的氘氚聚變等離子體離子溫度要大于1億攝氏度，等離子體密度、溫度和等離子體能量約束時間的乘積（“三乘積”）大于5×1021千電子伏特·秒/立方米。 *8u<?~9F
數(shù)十年來，國際上探索了眾多核聚變路線。目前，實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)主要有引力約束、磁約束、慣性約束3種方式。太陽因本身質(zhì)量巨大，可通過巨大引力，在極端高溫高壓的環(huán)境下發(fā)生引力約束核聚變反應(yīng)。而在地球上，實(shí)現(xiàn)可控核聚變主要有磁約束核聚變、激光慣性約束核聚變兩種方式。激光慣性約束核聚變可以采用激光作為驅(qū)動器壓縮氘氚燃料靶丸，在高密度燃料等離子體的慣性約束時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)核聚變點(diǎn)火燃燒。采用強(qiáng)磁場約束等離子體的方法把核聚變反應(yīng)物質(zhì)控制在“磁籠子”里面，就是磁約束核聚變。 .~^A!t
道路依舊充滿挑戰(zhàn) 1NrNTBI@
“穩(wěn)態(tài)自持燃燒”是源源不斷獲取聚變能的關(guān)鍵 u,`V%J?vW
在眾多技術(shù)途徑中，托卡馬克是通過等離子體電流和外部磁體線圈產(chǎn)生的螺旋磁場約束聚變?nèi)剂想x子，被認(rèn)為有望率先實(shí)現(xiàn)聚變能源的應(yīng)用，也是目前全球研發(fā)投入最大、最接近核聚變點(diǎn)火條件、技術(shù)發(fā)展最成熟的途徑。 4Y
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托卡馬克最初是由蘇聯(lián)庫爾恰托夫研究所的阿齊莫維齊等人在20世紀(jì)50年代發(fā)明的，是一種利用磁場約束帶電粒子來實(shí)現(xiàn)可控核聚變的環(huán)形容器。當(dāng)前，世界上建成并運(yùn)行了超過50個不同規(guī)模的托卡馬克裝置，不同托卡馬克裝置的幾何尺寸、等離子體約束性能等也各有不同。目前中國運(yùn)行的托卡馬克主要包括常規(guī)托卡馬克和球形托卡馬克。
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自托卡馬克開展實(shí)驗以來，等離子體綜合參數(shù)不斷提升，“三乘積”提升了幾個數(shù)量級，逐漸趨近點(diǎn)火條件。歐洲的JET與美國的TFTR裝置上獲得氘氚聚變功率輸出，揭示了托卡馬克磁約束可控核聚變路線的原理可行性。2021—2023年，JET創(chuàng)造了69兆焦耳聚變能輸出的世界紀(jì)錄。 0/%RrE
托卡馬克磁約束核聚變研究雖然不斷取得突破，但前方的道路依舊充滿挑戰(zhàn)。堆芯等離子體“穩(wěn)態(tài)自持燃燒”是源源不斷獲取聚變能的關(guān)鍵，實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)主要有五大類問題需要解決。 (Bpn9}F-V.
一是等離子體非感應(yīng)電流驅(qū)動問題。等離子體電流由歐姆驅(qū)動電流和非感應(yīng)驅(qū)動的電流組成。歐姆驅(qū)動電流是基于變壓器原理，通過等離子體外部線圈電流變化感應(yīng)而來的。對于非感應(yīng)電流驅(qū)動，一部分可以通過外部的高功率微波和中性粒子束注入來驅(qū)動，另一部分則來自等離子體自身壓強(qiáng)梯度產(chǎn)生的“自舉電流”，實(shí)驗上希望等離子體自己提供的這部分電流份額越高越好。 Dw TVoCC
二是加料與排灰問題。聚變等離子體被約束在真空室內(nèi)，形成一種類似“甜甜圈”的形狀。在“甜甜圈”環(huán)向軸中心位置附近的等離子體密度和溫度最高，越往邊界參數(shù)越低。傳統(tǒng)加料方式注入的中性氣體氘和氚，難以深入等離子體芯部，其燃燒效率難以提高。同時堆芯等離子體聚變反應(yīng)，會產(chǎn)生大量的氦，也被稱為氦灰。氦灰容易堆積在芯部，導(dǎo)致等離子體性能退化，甚至引發(fā)等離子體熄滅。 g]?>6 %#rA
三是等離子體與材料相互作用問題。聚變堆運(yùn)行期間，一些攜帶高能量的粒子可能突破磁場的約束，撞擊在聚變裝置的內(nèi)部部件上，對這些部件材料造成威脅。同時，如果聚變堆運(yùn)行期間發(fā)生的粒子與材料相互作用在等離子體邊緣產(chǎn)生大量雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會稀釋燃料離子的濃度，使聚變等離子體性能顯著下降，聚變功率難以穩(wěn)定維持。 !9V;
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四是阿爾法粒子物理問題。阿爾法粒子是氘氚聚變的帶電粒子產(chǎn)物氦（攜帶3.5 百萬電子伏特能量）的別稱。目前，由于長期缺乏合適的實(shí)驗平臺開展相關(guān)實(shí)驗，燃燒等離子體阿爾法粒子物理研究深度還不夠，相關(guān)的科學(xué)問題還需要在氘氚聚變實(shí)驗裝置上進(jìn)一步驗證。 G%}k_vi&q
五是大尺度磁流體不穩(wěn)定性和大破裂控制問題。聚變等離子體中還存在大量的不穩(wěn)定性，這些“不穩(wěn)定性因素”會在不同程度上破壞核聚變反應(yīng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。 ]4lC/ &nm
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