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中国“人造太阳”EAST实现1.2亿摄氏度燃烧101秒,我们离可控核聚变还有多远?

中国“人造太阳”EAST实现1.2亿摄氏度燃烧101秒,我们离可控核聚变还有多远?
2021年06月01日 12:00 新浪网 作者 大数据_文摘

  大数据文摘出品

  可控核聚变是科幻作品中的常客。

  1997年,侦探惊悚片《圣徒》涉及到了冷聚变的阴谋;

  2004年,电影《蜘蛛侠2》中的奥克塔威尔斯博士利用核聚变拥有了毁灭性的能力;

  2008年,电影《钢铁侠》中钢铁侠的外骨骼集成了一套小型的聚变反应堆;

  2013年,设定在公元2077年的《遗落战境》影片中,聚变核电站已经为土卫六泰坦上的殖民地提供电力能源;

  2014年,《星际穿越》中主角乘坐聚变动力的太空飞船"持久"号从太阳系旅行到宜居星球去,其中每艘太空飞船上都有一个紧凑的托卡马克提供动力和电源。

  可控核聚变在人类心目中的地位,从科幻作品中就可见一斑。

  可控核聚变会承载人类如此多的想象,原因就在于核聚变能源的原材料在地球上几乎取之不竭,排放无污染,被视为可以解决能源问题的“终极答案”

  1950年以来,人类就开始研究用于民用目的的受控热核聚变,到如今已经60多年过去了,人类依然在这条道路上不断向前探索,也取得了不少突破。

  2021年5月28日,基于40多年努力,有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)创造新的世界纪录,成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行,向核聚变能源应用迈出重要一步。

  “人造太阳”1.2亿摄氏度成功“燃烧”100秒时,内部的红外影像(中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所)

  从“发展中国家最先进的托卡马克装置”到全球第一

  全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)是国家发改委批准立项的“九五”国家重大科技基础设施,拥有类似太阳的核聚变反应机制,因此该设施也被称为“人造太阳”。

  其运行原理就是在装置的真空室内加入少量氢的同位素氘或氚,通过类似变压器的原理使其产生等离子体,然后提高其密度、温度使其发生聚变反应,反应过程中会产生巨大的能量。

  EAST的发展历程可以追溯到1991年3月正式立项的HT-7,作为“发展中国家最先进的托卡马克装置”,在1994年12月,完成了极向场控制系统后又进行了首次工程调试,获得首次等离子体。

  在HT-7成功运行的基础上,“九五”国家重大科学工程--大型非圆截面全超导托卡马克核聚变实验装置HT-7U在1998年立项。

  1998年7月国家计委下达投资[1998]1303号文,同意由中科院主持,中科院等离子体物理所承担国家重大科学工程项目“HT-7U超导托卡马克核聚变实验装置” 的建造。

  2003年10月,为使国内外专家易于发音、便于记忆同时又有确切的科学含义,HT-7U正式改名为EAST (Experimental and Advanced Superconducting Tokamak)。

  到2009年,世界上首个全超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置(EAST)首轮物理放电实验取得成功,标志着我国站在了世界核聚变研究的前端。

  此后,EAST便不断取得突破性成果,成为该领域的全球领头羊。

  2016年2月,中国EAST物理实验获又取得重大突破,实现在国际上电子温度达到5000万度持续时间最长的等离子体放电。

  2018年11月12日,从中科院合肥物质科学研究院获悉,EAST近期实现1亿摄氏度等离子体运行等多项重大突破。 

  2021年5月28日,中科院合肥物质科学研究院的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)创造新的世界纪录,成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行,将1亿摄氏度20秒的原纪录延长了5倍。

  科研人员称新纪录进一步证明核聚变能源的可行性,也为迈向商用奠定物理和工程基础。

  我们距离可控核聚变还有多远?

  刘慈欣在《三体》一书中提到人类在22世纪掌握了可控核聚变技术,并且利用该技术发明出了太空飞船核聚变发动机,从而可以将飞船加速到光速的15%。

  作为大家心目中的硬科幻作家,刘慈欣对于在本世纪人类能够实现可控核聚变也不乐观,广大网友喜欢说的“永远还有50年”的梗也说明了人们心中可控核聚变的难度之大。

  从1939年,美国物理学家贝特通过实验证实核聚变以来,人类一直在不断探索着这个让太阳发光的原理的奥秘。

  目前来说实现核聚变发电的两大难点是实现上亿度点火和稳定长时间约束控制,这中间涉及到大量需要解决的理论和实践的问题。

  本次实现1.2亿摄氏度101秒等离子体运行,是中国首次在国际上采用全金属主动水冷第一壁、高性能钨偏滤器等关键技术,在实现可控核聚变的道路上算是又迈出了坚实的一步。

  那么人类离可控核聚变还有多远?

  根据“真·人在现场”的知乎大佬@闫某某的回答,在做到目前这个程度上之后,还有许多问题需要解决。

  他认为:

  理论上和实际上的困难都有,主要是实践上。聚变装置,越大,越有利于反应控制。但是,越大,工程难度也越大。

  其次,是磁场,托卡马克采用磁约束,磁场强度是核心关键量,磁场越大,越能约束更好的等体,然后常态稳定的强磁场,仍旧难以获得。

  再次,是加热,现在使用的加热方式,有欧姆加热,波加热,中性束加热等方式,都有优点,也都有局限,要更高的等体温度,恐怕还得再研究。

  之后,是第一壁,杂质等。第一壁直接面对等体,到目前为止,什么是最好的材料还没有定论。而杂质种类众多,如何除杂难有定论。

  在他看来,尽管未来路还是很长(还有很多头发要掉),但是

  随着国家这些年不断加大投入,以及更大的装置落地实现,真的有种感觉,永远的50年正在变为49年。

  正如苏联物理学家、托卡马克之父Lev Artsimovich的至理名言所说:

  当整个社会都需要的时候,聚变就会实现。

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