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  • EAST装置实验获重大突破 媒体刊文三问“人造太阳”

    来源:中安在线编辑:芜湖新闻网发表时间:2018-11-14 19:40:42
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      11月12日,有“人造太阳”之称的EAST装置实验获重大突破,等离子体中心电子温度首次达到1亿摄氏度。带着读者普遍关心的问题,记者采访了中科院等离子所托卡马克物理研究室主任徐国盛研究员。

       为什么需要将温度提升到1亿摄氏度?

      ——1亿摄氏度高温是产生热核聚变的必要条件

      EAST是等离子体所自主设计、研制并拥有完全知识产权的磁约束核聚变实验装置,是世界上第一个非圆截面全超导托卡马克,也是我国第四代核聚变实验装置,它的科学目标是让氘和氚在1亿到2亿摄氏度高温条件下,像太阳一样发生核聚变,为人类提供源源不断的清洁能源。

      徐国盛表示,实现受控热核聚变反应至少要满足两个苛刻条件。第一,极高的温度。氘核与氚核间发生聚变反应时,温度须达到1亿摄氏度以上。这种在极高温度下才能发生的聚变核反应也称热核反应。在如此高温下,物质已全部电离,形成高温等离子体。在这样的高温下,聚变物质氘和氚才能高效发生核聚变,释放出巨大的能量,同时消耗的能量相对较少。也就是说,可以用较少的能量消耗获取最大的聚变能供人类使用。第二,充分的约束。即将高温等离子体维持相对足够长的时间,以便充分地发生聚变反应,释放出足够多的能量。当等离子体温度上升到几千万甚至上亿摄氏度时,任何固体材料都将熔毁。因此,需要用特殊形态的磁场把由氘、氚等原子核及自由电子组成的一定密度的高温等离子体约束在有限体积内,使之脱离器壁并限制其热导,这是实现受控热核聚变的重要条件。

      “打个比方,我们就是用一个‘磁笼子’来装上亿摄氏度高温的等离子体,这个磁约束难度很大,不过我们已经成功地做到了。 ”徐国盛说,“2008年3月超导托卡马克物理实验连续重复实现了长达400秒的高温等离子体放电,电子温度超过1000万摄氏度,2016年等离子体中心温度达到5000万摄氏度,2017年达到8000万摄氏度,今年我们达到了1亿摄氏度,并持续了10秒! ”

      什么样的“容器”能承受1亿摄氏度高温?

       ——三种独创方法解决这一难题

      如何把磁约束的等离子体加热到1亿摄氏度左右或更高的温度,目前主要的方式有三种。

      一种是利用环流器等离子体中流通的,用于产生磁场旋转变换的环形电流,对等离子体本身进行欧姆加热,这样的加热遵从理论上推广了的欧姆定律。但这种加热的问题在于,随着温度的升高,环形等离子体的电阻迅速降低,加热效率下降。需要采取特殊措施,才有可能达到建造聚变堆所需的温度。目前,大量的实验研究仍在继续进行。

      一种是利用加速器加速粒子与等离子体碰撞从而产生高温,具体做法是将强流离子束,经过气体交换室进行电荷交换变成中性粒子束,然后注入磁约束装置,这是迄今为止取得高温最有效的加热方法之一。

      “还有一种是射频波加热,这也是我们采取的主要加热方法。 ”徐国盛介绍,EAST装置内部加热用了几种频段的射频波,有广播频段的,有微波炉频段的,还有100G赫兹高频雷达频段的。这次达到1亿摄氏度主要依靠微波炉频段和100G赫兹雷达频段的射频波加热的协同效应。徐国盛告诉记者:“使用射频波加热是EAST装置的独创,也是我们在国际聚变领域的独创,使用这种方法不仅能够达到上亿摄氏度的高温,而且可以实现等离子体长时间稳定运行。 ”

      我们离实现核聚变目标还有多远?

       ——高温高约束下的长久运行是最艰巨的挑战

      1亿摄氏度高温实现了,百秒量级的高温等离子体放电也实现了,意味着我们初步攻破了挡在热核聚变路上的一些难关,但离人类最终实现聚变能的商用,还有很长的路要走。未来聚变堆中核聚变的优化温度在1亿到2亿摄氏度左右,在这个温度环境下,聚变物质可以高效发生核聚变,从而产生源源不断的聚变能。

      虽然高温等离子体被强大的磁场像“磁笼子”一样约束在环形真空装置中,高温等离子体短时间不会对核聚变实验装置的外壁造成损害,但时间一长,这种损害就不可避免。因为等离子体中不停有大量能量输运出来,沉积到器壁的内表面?!叭绾稳闷鞅诘哪诒砻娉な奔淠褪苷庵指吣芰康暮浠?,让核聚变装置实现等离子体高温高约束下的长久运行是我们面临的最艰巨挑战,也是我们接下来要研究的重要课题?!毙旃⑺?,“其实我们已经在这方面有了成功的探索,比如2017年,我们在物理实验中实现了稳定的101.2秒稳态长脉冲高约束等离子体运行,当时的等离子体温度是5000万摄氏度,我们的器壁耐受住了考验,今年我们实现了1亿摄氏度的高温,并且持续了10秒,器壁也耐受住了考验!然而这只是短时间的考验,未来我们要达到更长时间的高温等离子体运行,就不仅要在工程上,而且要在物理机制上找到更好的解决方案,从而实现聚变装置在高温高约束下的长久运行。 ”

      为了加快核聚变能的早日商用,今年初,我国启动了中国聚变工程实验堆(CFETR)建设的工程设计,并在合肥三十岗建设聚变堆主机关键系统综合性研究设施。作为聚变堆的研发平台,该设施将主要研发聚变堆关键部件的原型件及其测试平台。 “从EAST实验装置到中国聚变工程实验堆,我们所做的每一件事都是人类之前没有做过的。我相信,假以时日,科研人员一定能逐步解决未来聚变堆核心科学和技术问题,让取之不尽、用之不竭的清洁聚变能造福人类?!毙旃⑺?。

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