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刷新纪录!中国“人造太阳”科研技术,获得重大突破!

发布时间 :2024-01-12 11:34:52

近日,中核集团新一代人造太阳中国环流三号取得重大科研进展,首次实现100万安培等离子体电流下的高约束模式运行,再次刷新我国磁约束聚变装置运行纪录,突破了等离子体大电流高约束模式运行控制、高功率加热系统注入耦合、先进偏滤器位形控制等关键技术难题,是我国核聚变能开发进程中的重要里程碑,标志着我国磁约束核聚变研究向高性能聚变等离子体运行迈出重要一步。

刷新纪录!中国“人造太阳”科研技术,获得重大突破!(图1)


可控核聚变技术一直被誉为能源领域的“圣杯”,它模拟了太阳内部的聚变过程,通过将氢元素聚合形成重元素,从而释放出巨大的能量。然而,由于核聚变过程的极其复杂性和难以掌控性,科学家们多年来一直面临巨大的挑战。

刷新纪录!中国“人造太阳”科研技术,获得重大突破!(图2)

中核集团的研究团队通过实现高约束模式运行,有效提升等离子体的整体约束性能,从而提高未来聚变堆的经济性。这意味着我们能够更有效地利用资源,降低能源成本,并提高经济效益。这一成就对于我国的经济社会发展和国防工业建设具有非常重要的战略意义。

刷新纪录!中国“人造太阳”科研技术,获得重大突破!(图3)

这项技术的突破,也让我们看到了未来能源发展的新方向。核聚变技术以其清洁、无污染和高效的能源潜力,正成为未来能源发展的重要方向。我们坚信,在不久的将来,核聚变技术将实现商业化应用,为可持续社会发展提供强大支持。这项技术的突破,也让我们看到了未来能源发展的新方向。

这项技术突破的背后是中核集团在核能领域积累的丰富经验和卓越科研实力。中核集团作为中国核能行业的领军企业,一直致力于核能技术的创新和发展。在可控核聚变领域,中核集团通过汇聚国内外顶尖科学家和研究团队的力量,不断突破技术瓶颈,为我国核能事业的进步做出了重要贡献。

刷新纪录!中国“人造太阳”科研技术,获得重大突破!(图4)

此次的重大突破不仅在技术上具有重要意义,还体现了我国在核能领域自主创新能力的提升。长期以来,我国在核能领域一直依赖进口技术和设备,限制了我们在核能产业链上的话语权和竞争力。而中核集团的成就将有助于改变这一局面,实现对核能技术的真正自主掌握。

可控核聚变技术具有巨大的应用潜力。一旦实现商业化应用,它将成为人类历史上最清洁、高效的能源之一,为地球提供持续可再生的能源供应。同时,它还将大幅减少对化石燃料的依赖,有力缓解全球的能源危机和环境污染问题。

这一突破将推动我国核能产业的发展。作为全球最大的能源消费国之一,我国对清洁能源的需求日益增长。可控核聚变技术的引入和应用将为我国能源结构转型提供强有力支持,并促使我国在核能领域的市场份额进一步扩大,提升整体竞争力。

刷新纪录!中国“人造太阳”科研技术,获得重大突破!(图5)

总之,这次中国环流三号的这一重大科研进展再次彰显了我国在核聚变技术领域的实力和潜力。我们期待更多科研成果的涌现,推动我国核聚变事业不断前行,为人类未来贡献更多力量。

PART 01

何为核聚变?何为人造太阳?

众所周知,目前人类能触及的最强力量是原子能,利用原子能制作的原子弹、氢弹爆炸可以毁天灭地。原子能的力量来自于核反应,一种叫核裂变,就是重的原子核分裂成较轻的原子核;一种叫核聚变,就是较轻的原子核聚合成较重的原子核。两种不同的核反应,造成炸弹分别就是原子弹和氢弹。

核裂变比较好控制,所以现在的核电站都是可控核裂变的产物,但还是缺点太多,比如能量密度有限、燃料提取难度大、放射性的核污染等等,当然这些缺点花点钱还是能解决的,千万不能像某国为了省钱往海里倒核污染的废水。

另外一种我们现在还控制不了的核聚变,核聚变是一种核反应过程,其中两个轻核粒子(通常是氘核,即氘氢同位素的核,或三氘核,即氚的核)融合在一起形成一个更重的核。在核聚变过程中,巨大的能量释放,这是太阳和恒星内部产生能量的主要机制之一。

核聚变的过程可以简单地描述为:1)核融合:两个轻核粒子(如氘核)相互靠近并融合在一起形成一个更重的核。在这个过程中,质量会发生微小的损失,转化为能量,按照爱因斯坦的质能方程(E=mc²);2)能量释放:核聚变过程中释放出的能量以高速带走。这是因为融合后的核相对较重,所以核的结合能更低,能量差以光子的形式释放出去。

地球上最常见的能量来源,就是太阳!太阳至今已经燃烧了四十多亿年地球仅靠其亿分之一的能量就孕育了人间万物太阳之所以能够源源不断地向外界释放巨大的能量就是因为在太阳内部一直进行着核聚变反应这就是为什么说可控核聚变是人造太阳”。

PART 02

人造太阳原理及进程

打造人造太阳的核心就是掌握可控核聚变。核聚变有多种形式,最容易实现的是模拟太阳的核聚变过程,利用氢的两种同位素氘和氚之间的聚变反应释放能量。氘在全球海洋中的储量多达40万亿吨,如果全部用于聚变反应,释放出的能量近乎能让人类无限使用,而且反应产物是无放射性污染的氦,也不会产生二氧化碳等温室气体。可以说,它是解决人类能源和碳排放问题的一种“终极方案”。

核聚变的启动条件是非常苛刻的,太阳核心的核聚变就是在1500万度高温和3000亿个大气压条件下形成的,而实现可控核聚变也需要满足两个基本条件。一是极高的温度。在地球上要求氘和氚燃料温度不低于1亿摄氏度,这种温度下,氢燃料将以等离子体的形态存在。二是有效约束。将超高温等离子体约束在一定空间并维持足够反应时间,聚变输出能量大于外部输入能量(即聚变增益系数Q>1),使核聚变能够自持进行。

极高温度这个触发条件对人类来说还好实现,主要需要解决的课题还是有效约束的问题。根据约束形式不同,有可控核聚变有磁约束和惯性约束两种技术路线。可控核聚变有磁约束是主流,目前欧盟中国韩国俄罗斯日本印度和美国七个国家一起合作研究的“国际热核聚变实验堆(ITER)计划”,也是真正意义上人造太阳计划。使用的托卡马克装置,采取的就是可控核聚变有磁约束技术。托卡马克(Tokamak)装置,是一种环形容器,用磁场形成一个“磁笼”将等离子体束缚住,创造氘、氚实现聚变的环境和超高温,实现受控核聚变。最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。

刷新纪录!中国“人造太阳”科研技术,获得重大突破!(图6)

据说全世界现有200多个托卡马克实验装置,所有装置都在围绕如何提高聚变增益、实现稳定约束等主要目标每天都在大量的实验运行,各个国家也在等离子体物理学理论和工程技术方面持续进步,验证了磁约束核聚变的科学可行性,为建造电站级核聚变反应堆奠定了基础。

PART 03

我国在可控核聚变领域的进展

我国在核聚变领域的技术有一定优势。中核集团核工业西南物理研究院聚变科学所所长钟武律此前表示,我国有望在10-20年的尺度内获得可控核聚变的能量。

日本调查公司Astamuse统计了在中日美欧等30个国家和地区申请的核聚变相关专利。针对2011年至2022年9月公开的1133项专利,将可行性和权利剩余保护期等专利的竞争力转化为得分,排出了名次。按专利申请的企业和研究机构的国籍来看,中国排在首位(申请件数也排在首位)。2015年以后中国申请的重要专利大幅增多,超过了美国。在企业和研究机构等排名前20位组织的专利之中,中国科学院拥有的用于核聚变炉内壁的特殊陶瓷复合材料技术获得的评价最高。

在科研层面,国内主要有全超导托卡马克核聚变实验装置EAST和侧重激光约束的“神光”装置。今年4月份,EAST曾成功实现等离子体运行403秒打破世界纪录,登上过媒体热搜。

而“中国环流三号”是我国自主研制的又一超导托卡马克装置,由中核集团核工业西南物理研究院科研团队设计和研发,它采用了先进的偏滤器位形控制技术,可以实现更灵活和更优化的等离子体运行模式,具有高功率加热和电流驱动系统,可以对等离子体进行有效的加热和控制,是我国探索可控核聚变的新型大科学装置,被称为继“EAST”之后新一代的“人造太阳”。


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