中國“東方超環”:獲重大突破,成世界第一的理由不只3個

據中科院等離子體物理研究所官網消息,我國大科學裝置“東方超環(EAST)”日前取得重大突破。這次的突破不僅承載了等離子體所三代聚變人的聚變夢,也為人類開發利用核聚變清潔能源奠定了重要的技術基礎。

為了更好的瞭解這個大科學裝置獲突破的重要性,我們得先知道所謂的“東方超環(EAST)”是什麼?東方超環(EAST)是我國第四代核聚變實驗裝置,其主要作用是讓海水中大量存在的氘和氚在高溫條件下發生核聚變,從而產生源源不斷的清潔能源。據悉,一升海水所含氘產生的聚變能=三百升汽油所釋放的能量。而海水中氘的儲量多到可以供全人類使用幾十億年。尤為重要的一點是,聚變產生的廢料為氦氣,既清潔,又安全。

可能你也知道,東方超環(EAST)也被稱為“人造太陽”。為什麼它有“人造太陽”的美譽呢?這是因為EAST能實現或者說它的存在可以像太陽一樣發生核聚變。當然,這個“人造太陽”之所以揚名海內外還有好多的理由。

“東方超環(EAST)”裝置圖片

理由一:東方超環是世界上第一個非圓截面全超導托卡馬克(2016年首輪物理放電實驗取得成功)。托卡馬克是前蘇聯科學家于二十世紀五十年代發明的環形磁約束受控核聚變實驗裝置。其中,超導托卡馬克能夠使得磁約束位形能連續穩態運行,因而被公認為是探索和解決未來聚變反應堆工程及物理問題的最有效的途徑。也因此,當下,聚變研究的開展離不開超導裝置。而超導托卡馬克也已經成為國際熱潮。

理由二:東方超環是我國自主設計、研製並擁有完全智慧財產權的磁約束核聚變實驗裝置。所謂的磁約束核聚變實驗裝置是受控熱核聚變能研究的主要方向之一,其利用強磁場可很好地約束帶電粒子的特性,將氘氚氣體約束在一個特殊的磁容器中並加熱至數億攝氏度高溫,實現聚變反應。另一個方向為慣性約束核聚變,主要是利用超高強度的鐳射在極短的時間內輻照氘氚靶來實現聚變。怎麼看,也是磁約束核聚變實驗裝置略勝一籌。

理由三:東方超環已經成為國際上最重要的高參數長脈衝等離子體物理實驗平臺。從本質上說,托克馬克是一種脈衝裝置,因為等離子體電流是通過感應方式驅動的。而我國的東方超環早在2016年成功實現電子溫度超過5000萬度、持續時間達102秒的超高溫長脈衝等離子體放電。

理由四:……(由你來書寫)

接下來,我們來看看到底這次我國的“人造太陽”在哪些方面取得了重大突破呢?

我國的科學工作者們在四十年的核聚變研究征程中砥礪前行,使得我國的“人造太陽”在以下幾個方面取得突破:

1.0 加熱功率超過10兆瓦;

2.0 等離子體儲能增加到300千焦;

3.0 等離子體中心電子溫度首次達到1億度;

4.0 在射頻波加熱為主、低動量注入、鎢偏濾器等類似未來聚變堆條件下,實現了高約束、高密度、高比壓的完全非感應先進穩態運行模式;

5.0 適應於聚變堆高性能等離子體穩態高約束模式的運行區間的有效拓展……

據專家介紹,此次獲得的多項實驗參數接近未來聚變堆穩態運行模式所需要的物理條件,朝著未來聚變堆實驗運行邁出了關鍵一步。

“人造太陽”裝置內部鎢偏濾器圖片

最後,為什麼高約束、高密度、高比壓的完全非感應先進穩態運行模式的實現需要在鎢偏濾器中進行呢?因為聚變實驗堆及示範堆中面向等離子體材料(PFM)作為高溫等離子體週邊的第一道屏障,其耐高束流低能等離子體、穩態熱流與瞬態熱衝擊、高能14MeV聚變中子輻照的能力是等離子體高參數穩態運行的保證。而鎢(W)具有高熔點、高熱導率、低濺射率、低燃料滯留與低中子活化等優良特性,是PFM的首選。所以,目前,國際熱核聚變試驗堆(TER)的偏濾器採用鎢材質,大型托卡馬克如JET、ASDEX-U、WEST均進行了基於W-PFM的材料研發及應用。

當然,正如開頭所述,“東方超環”裝置能用來發生核聚變反應並生成清潔能源,且廢料無污染,所需的原料可以從海水裡獲得,在N個世紀內取之不盡,用之不竭。這時候,你可能就會問了,這麼好的裝置,怎麼不能像核電站一樣商業化呢?所以,該大科學裝置還需要解決一大關鍵的科學問題是——如何瞄準並實現未來聚變能商用目標。也不知這目標實現後,還收電費嗎?

 

 

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