点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:大科学城里的“逐日”故事
首页> 科技频道> 综合新闻 > 正文

大科学城里的“逐日”故事

来源:人民日报海外版2024-11-12 09:08

  在“夸父”设施园区,有数座单体建筑(科研厂房),它们都是聚变堆主机关键系统的子系统,每个科研厂房里都有多个系统正在建设和运行。

  1994年12月,由T-7改造成的超导托卡马克装置HT-7首次获得等离子体,成为中国第一台超导托卡马克。

  图为世界上首台全超导托卡马克装置EAST东方超环,EAST的国产化率超95%,关键设备、材料实现自主研发。

  2006年10月16日,国家重大科学工程EAST项目总经理万元熙在第21届世界聚变能大会上作首个邀请报告,题为《EAST项目进展概况及未来规划》。

  9月末的一个清晨,安徽省合肥市未来大科学城中国科学院合肥物质研究院等离子体物理研究所(下称“等离子体所”)下起了小雨。初秋的降温给这座研究所带来了丝丝凉意。而在研究所里,研究人员仍保持着热情的工作状态。在巨大的控制室内,各国科学家正认真地盯着面前3层楼高的大屏幕,屏幕上显示着全超导托卡马克装置EAST东方超环(以下简称EAST)的实施运行情况。在屏幕下方,EAST运行总负责人龚先祖正在进行一次新的实验。

  龚先祖正在进行的实验,是磁约束可控核聚变的等离子体放电实验。为了解决当今世界面临的能源问题,参照太阳的核聚变反应,各国科学家从20世纪起就开始探索一种可能——利用地球上储量极其丰富的氘,在地球上建造一个“太阳”,为人类持续供应清洁能源。

  在中国,这项“逐日”工作,已经持续了半个多世纪。历经4代科研工作者、40万余次实验、10余次创造世界纪录……中国在自主设计、自主建造的磁约束可控核聚变装置的研发之路上已经走了很远。近日,记者走进位于合肥未来大科学城里的等离子体所,实地探访这里的“夸父”科学家们“逐日”的新故事。

  “让‘小太阳’悬浮在‘大冰箱’里”

  在EAST控制室里,记者看到,龚先祖正准备用鼠标启动一次等离子体放电。等离子体本身位于控制室的监视器墙后面,被封闭在一个装置真空室内。

  每天,龚先祖和他的同事们从早到晚要进行约100次等离子体的放电实验。“每一次的放电实验都是向实现可控核聚变迈出的必要一步。”龚先祖说。

  “可以解释一下可控核聚变的技术原理吗?”记者问。

  “核聚变的基本原理是,两个较轻的核融合在一起形成一个较重的核,这一过程会爆发出强大的能量。比如,氢的同位素氘和氚融合反应过程当中,就产生了核聚变。恒星产生能量的主要方式,就是核聚变。”等离子体所科普主管蔡其敏对记者说,“核聚变需要上亿摄氏度的高温才能实现,地球上找不到能够承受这么高温度的材料。科研人员后来发现,用强磁场可以把高温等离子体束缚在一定的空间范围内,这就是磁约束。”

  EAST是一台全超导托卡马克核聚变实验装置。它的建设,是为了实现三大科学目标:电流1兆安、温度1亿摄氏度、运行维持1000秒。

  托卡马克装置是一种环形聚变装置,用来约束带电的高温等离子体。“科幻电影《流浪地球》里推着地球往前走的行星发动机,就是核聚变装置。”龚先祖说,“托卡马克装置利用磁场来约束加热后的等离子体环——一种包含离子和电子的流体状物质状态,其温度比太阳核心还要高。等离子体维持的时间越长,就可以获得越多的聚变能源,这就是托卡马克的运行原理。”

  “我们要维持稳定的磁场约束高温等离子体,需要给磁体通大电流产生强磁场。EAST的磁场强度要比地球的磁场强度高1万多倍,这对能源的消耗极大,”中国工程院院士、等离子体物理学家李建刚说,“为了使这一部分能量消耗减少,我们得让磁体超导。”

  在EAST内部有30个超导线圈。在极低温条件下,这些超导线圈具有零电阻效应,通大电流可以产生稳态的约束磁场并且不会产生热量,使高温等离子体稳态运行成为可能。

  超导对温度的要求极高,零下269摄氏度是它的标准温度。李建刚说,“聚变能就是一个‘小太阳’,我们要做的是让这个1亿摄氏度的‘小太阳’悬浮在一个零下269摄氏度的‘大冰箱’里,这件事情在我们之前全世界都没有做过。”

  为建成EAST,等离子体所的科研团队花了6年多的时间,从开工到建设,发展了68项关键技术。其中有大型的超导技术、精准控制技术、加热技术、真空技术、射频技术、电源技术、低温技术等。“所有关键技术都是我们自己研发的。”李建刚说。

  “2006年的9月16日EAST获得了第一次等离子体。”李建刚说,“当年我们EAST项目总经理万元熙在世界原子能聚变大会上作报告,全场起立为中国的成就鼓掌。在那一刻,作为一个中国人我觉得非常自豪。”

  2023年4月12日晚9点左右,EAST在第122254次实验中成功实现了403秒稳态长脉冲高约束模式等离子体运行,创造了托卡马克装置高约束模式运行新的世界纪录。

  “这样的纪录意味着,可控核聚变正一步步迈向商业化应用。”中国科学院合肥物质科学研究院副院长、等离子体所所长宋云涛说,“我们已经看到了可控核聚变实现的曙光。”

  为下一代“人造太阳”研制“发动机”

  中国的“人造太阳”究竟什么时候能走出实验室?

  简单地说,要满足两个条件。一是稳定运行的时间足够长,这样才能持续释放聚变能量。二是产出的能量大于消耗的能量,这样才有经济价值。等离子体所副所长陆坤告诉记者,从稳定运行时长来看,目前还有很大提升空间。

  陆坤说:“大家追求的肯定是一整天或者是很多天的连续运行,但科学是一步一步往前走的。接下来我们要冲击1000秒,或者是更长的时间。”

  提升核聚变装置稳定运行时长的难点在哪?对于中国采取的磁约束路线来说,主要在于材料。陆坤说,尽管EAST装置本身并不直接接触高温等离子体,但仍然容易被逃逸的粒子损伤。

  陆坤表示:“参数高了,这些高能粒子肯定会逃逸。一些逃逸的高能粒子可能会打到一些部件上,如果时间长了,部件会有损伤。基于材料的不断发展,还有我们运行控制能力的增强,包括从结构上看是否还有更优化的地方,能够让其承受更高的热负荷,在这几个方面要一起努力。”

  而从产出能量大于消耗能量的角度看,托卡马克装置内发生聚变反应要有功率巨大的辅助加热系统,这就要消耗能量。而聚变开始后,会产生能量,这两者的比值叫作Q值,也就是聚变增益。Q值大于1,代表产出能量大于消耗能量,也就是净产出。不过,目前全球托卡马克装置的Q值很少达到1。

  陆坤说:“只要Q值大于1就可以尝试着去发电了。我们最终追求的目标是Q值大于30,这样会更有经济性,大家才能用得起。我们要探索的就是在时间尺度上能够去稳定地维持高参数的等离子体,为后续新的装置提供核心的技术支撑。”

  要造出真正有实用价值的“人造太阳”,还得跨越从实验装置到实验堆、工程堆、示范堆、商业电站的多个阶段,需要研制一代代科技含量更高的“人造太阳”。

  为下一代“人造太阳”研制“发动机”,“夸父”的使命艰巨。

  “夸父”的学名为“聚变堆主机关键系统综合研究设施(CRAFT)”,是国家“十三五”重大科技基础设施,2018年12月获批开工建设。

  走进聚变堆园区11号科研厂房,记者看到了那片巨大的中空“扇瓣”,就是CRAFT部分部件的雏形。

  “它是‘夸父’的核心部件1/8真空室及总体安装实验平台。”蔡其敏告诉记者,8个“扇瓣”将组成一个“大橘子”,成为未来“人造太阳”的重要组成部分,相当于一个锅炉,能够为上亿摄氏度的等离子体运行提供高质量的真空环境。

  在“夸父”设施园区,有14座单体建筑(科研厂房),它们都是聚变堆主机关键系统的子系统,每个科研厂房里面都有多个系统正在建设和运行,有的系统已经初步建成,正在进行整体的联调和测试,有的还在加紧研制过程中。在这些装置上,将开展一系列关键技术预研,为未来中国建造真正能实现核聚变发电的“聚变堆”提供核心技术基础和研究平台。

  在宽阔的厂房里,来自170余家国内外合作单位的1000多名建设者正奋力攻关一系列科研与工程技术难题,力争实现这些目标——国际上时间最长的百秒量级强流负离子束引出,运行温度最高、研究功能最完备的锂铅实验平台,规模最大的Nb3Sn线圈热处理系统……

  宋云涛说,基于几代人的持续学习、研究、创造,EAST的国产化率超95%,关键设备、材料实现自主研发,而“夸父”的国产化率将提升到100%。

  目前,“夸父”主体工程已完成116项关键里程碑当中的70余项,项目从子系统的实验室研发测试阶段进入关键部件的研制和现场集成及调试阶段,总体进度已超70%,预计“夸父”将在2025年底建成。

  2024年8月28日,科学杂志《自然》(Nature)期刊发表了题为《聚焦中国如何在核聚变的赛道上领先世界》(“Inside China's race to lead the world in nuclear fusion”)的新闻特写报道,深入探讨了等离子体物理研究所和中国在核聚变领域的发展成就和未来的发展规划前景以及在全球范围内的合作竞争态势。文章详细介绍了EAST、CRAFT、ITER及中国在磁约束聚变科学研究和工程技术研发方面的进展,以及国家层面的支持和发展。

  文章对中国的核聚变技术发展表示赞叹:“中国在核聚变研究方面的优势在于其在开发建造反应堆所需的材料、部件和诊断系统方面的速度和专注度。中国对建设核聚变技术人员队伍的重视也使该国在人才方面具有优势。”文章援引麻省理工学院核科学家丹尼斯·怀特(Dennis Whyte)的话称:“在可控核聚变领域,中国已经从几十年前的无名小卒成长为拥有世界一流能力的人。”

  “自从远古以来,我们的祖先就有‘夸父逐日’的梦想。今天,我们把聚变研究变成工程实践的第一步。”李建刚说,“我相信中国聚变人一定会与世界各地的同行一起,让可控核聚变最终成为现实。”杨俊峰 徐 靖

  (本版图片均为等离子体所供图)

[ 责编:肖春芳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 武汉汉口北低空港投入运营

  • 加强天然气管道巡检保障用气安全

独家策划

推荐阅读
世界气象组织在《联合国气候变化框架公约》(以下简称《公约》)第二十九次缔约方大会(COP29)期间发布报告说,2024年有可能成为有记录以来最热的一年。
2024-11-13 09:47
在刘汉龙指导下,肖杨凭借在微生物加固土体力学领域的丰富研究成果,获得国家杰出青年科学基金资助。
2024-11-13 09:46
到点自动发车、区间自动运行、到站自动对标停车、车门站台屏蔽门联动开启……京张高铁在全球第一次实现了运营时速350公里的有人值守自动驾驶。
2024-11-13 09:40
中欧科技合作“龙计划”2024年海洋遥感高级培训班日前在海南三亚开班。在11日上午举办的开幕式上,近30位国内外遥感领域知名专家和近60位来自海洋遥感领域优势科研院所与高校的青年科研人员共同参加活动。
2024-11-13 09:39
近年来,北京涌现出一批新能源、人工智能、智能制造、先进制造等领域的高科技民营企业,目前已逐渐形成技术和品牌优势。
2024-11-13 09:40
记者从国家国防科技工业局获悉,在12日开幕的第十五届中国航空航天博览会上,国家国防科技工业局、国家航天局“中国军工”“中国航天”展台亮相。
2024-11-13 09:39
由于轴子暗物质信号极其微弱,经典磁场干扰可能成为高灵敏识别轴子信号的巨大挑战。
2024-11-12 09:09
该项目位于福建东山县杏陈镇、前楼镇海域,该地区多年平均日照时间为2204小时,太阳能资源丰富,年平均风速5.2米/秒、最大风速可达48米/秒。
2024-11-12 09:09
在“夸父”设施园区,有数座单体建筑(科研厂房),它们都是聚变堆主机关键系统的子系统,每个科研厂房里都有多个系统正在建设和运行。
2024-11-12 09:08
未来,核聚变能将在人类的能源系统中占据非常大的比重,来自核聚变的清洁、持久且便宜的电能会走进千家万户。
2024-11-12 09:06
非编码RNA可能成为未来癌症诊疗的新指标和新靶点,其独特的细胞类型特异性表达也为实现个性化医疗提供了可能。
2024-11-12 09:05
11月11日,空军八一飞行表演队和空军航空大学“红鹰”飞行表演队展翅珠海,以独特的方式庆祝中国人民解放军空军成立75周年。
2024-11-12 09:06
在华南师范大学教育信息技术学院教授钟柏昌看来,用信息化手段为水火箭这类跨学科教学项目“赋能”,是开展科普教学创新的有效尝试。
2024-11-11 09:39
今年的滑雪季即将到来,全国冰雪资源何处多?日前,中国气象局公共气象服务中心综合多种气象指标发布了冰雪资源数据,为滑雪爱好者和滑雪场经营者打造了一把“冰雪资源量尺”。
2024-11-11 04:05
受今年第22号台风“银杏”影响,预计11月11日至12日,海南省中部及东南部将有中到大雨,万泉河、昌化江及沿海部分河流将出现小幅涨水过程。
2024-11-11 04:05
这一研究成果区分了BLA向同侧和对侧大脑半球投射在情绪和相关记忆形成中的不同作用,发现了BLA到对侧NAc神经投射在编码负性情绪和引发逃避行为中的关键作用,揭示了跨脑半球神经连接的一个重要功能。
2024-11-11 04:05
当前,新一轮科技革命和产业变革与大国间竞争形成叠加态势,我国发展进入战略机遇与风险挑战并存的时期。
2024-11-11 04:05
收获时节,走进浦城县仙阳镇的谢华安院士工作站,种粮大户钟安森没有下田,而是在大屏幕前查看农田的各项数据。
2024-11-11 04:05
11月4日,科学技术普及法修订草案首次提请全国人大常委会会议审议,这是科学技术普及法自2002年公布施行以来的首次修订。
2024-11-08 09:59
为了种出茁壮可口的生菜,这群来自中国农业大学、上海交通大学、上海农科院、北京市农业技术推广站等高校院所的年轻人使出浑身解数。最终,产量高、品质好、能耗低、花费少的队伍将会胜出。
2024-11-08 09:57
加载更多