中国“人造太阳”如何再创世界纪录?听科研团队怎么说
发布时间:2021-05-31
出品:科普中国
制作:王腾(中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所)
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  这几天,大家可能都看到了这两张红彤彤的喜报。

  

  新华社为此次进展制作的两张海报(图片来源:见水印)

  正如图中显示的,中国科学院合肥物质科学研究院有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)创造了新的世界纪录,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。新华社对这一突破进行了报道。

  作为有幸见证这一时刻的一名普通科研工作者,收到了很多大家的关心和祝贺,激动和感谢的心情皆有。正好借这个机会,和大家聊聊这次的进展和“造太阳”的体验。

关于“人造太阳”和EAST

  可能还有些朋友对可控核聚变和EAST还不太了解,因为此前不少老师都做过科普,这里就不再赘述了,向大家推荐两部视频。

  一部是中国科普博览与中科院等离子体物理研究所联合制作的科普视频《揭秘大科学装置:托卡马克EAST》:

  http://v.kepu.net.cn/video/play_1579.html

  一部是中国工程院院士李建刚在中科院格致论道讲坛所做的演讲《追逐太阳》:

  http://self.kepu.cn/self_yj/201609/t20160905_482190.html

  概括地说,可控核聚变是在模仿太阳产生能量的原理,目标是以极高的效率产生源源不断的清洁能源。而根据目前的理论基础,有几种实现可控核聚变的方式,托卡马克就是其中一种,因此我们通过建造全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)并开展实验,来进行前期研究。

这次的突破究竟是什么?意外吗?

  首先必须要说明,这次的突破并不是说大家很快能用上利用可控核聚变发的电了,更不是说我们造出了“人造太阳”。它还是处于实验室状态的一件事,严谨地说,它表明EAST装置综合研究能力获得重大突破,标志着我国在稳态高参数磁约束聚变研究领域引领国际前沿。

  我们这次实验的主要目标是要获得芯部电子温度大于1亿摄氏度、持续时间超过100秒的可重复等离子体,经过紧张探索,EAST实验运行组逐步掌握了1亿度等离子体放电条件,并逐步延长放电时长。

  20秒、40秒、60秒……终于!在528日凌晨302分的第98958次放电中,成功获得芯部电子温度1.2亿度持续时间101秒的等离子体,成功完成了预设目标,看到控制大厅屏幕上的数字突破100的时候,所有人都忍不住起立欢呼!

  

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

  有朋友问我,这次的突破意外不意外?惊喜不惊喜?

  喜悦肯定是很大的,但是并不能算意外。其实,在本轮实验启动之初,我们团队就已经将1亿度100秒设定为主线目标之一。

  EAST2006年建成以来,多次创造或刷新过长脉冲高温等离子体运行纪录。例如,2012年实现2000万摄氏度411秒最长等离子体放电纪录,2016年获得5000万度100秒等离子体,2018年突破1亿度并获得20秒持续放电。

  可以看到,相比于上次20秒的纪录,这次的放电时长延长了5倍,所以,虽然是我们自己设定的目标,但大家都感到这仍然是个巨大的挑战,所以能够成功完成,还是非常开心和激动的。

98958步背后的故事

  前文说到,虽然这次的突破本身也是计划中的目标,但能在如此短时间内实现突破,实属不易。

  那么,我们自己是如何看待这次突破背后的原因的呢?

  首先,EAST上次的升级改造提升了性能,为本次突破提供了良好的基础保障。EAST20207月开始改造升级,经过近10个月的紧张施工,升级改造在20214月底正式完成,从五一劳动节当天,就开始就进入了紧张的工程调试阶段。

  

  413日拍摄的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)(新华社记者 周牧 摄)

  EAST这次升级的改造项目多、时间紧、任务重,还受到了新冠疫情的影响,但仍然按照计划高标准完成了任务,在尖端材料、关键部件、主要子系统等方面实施了一系列重大提升。

  其中,比较关键的改造是内部全金属下偏滤器的升级以及外围辅助加热及诊断系统的调整。本次1.2亿度101秒等离子体的实现正是在下单零(LSN)位形下获得,可以说,我们的下偏滤器经受住了考验。同时,低杂波(LHW)和电子回旋(ECRH)辅助加热系统更是顶住压力,实现长脉冲高功率注入,为高温等离子体实现提供保障!

  同时,这次突破也离不开整个EAST团队的锐意进取和夜以继日的奋战。

  团队的付出是值得的,这次升级改造的效果也是显而易见的。

距离真正的可控核聚变,还有多远?还要过几关?

  新华社的报道中提到,中科院合肥物质科学研究院副院长、等离子体所所长宋云涛表示:“实现新纪录,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。”

  因此,也有不少朋友向我们咨询,现在是等离子体状态100秒,距离真正的可控核聚变,到底还有多远呢?

  其实,这不是什么秘密。在中科院合肥研究院等离子体所等单位的牵头下,我国磁约束聚变的发展线路图已经拟定。

  

  图片由作者提供,转载请注明出处

  首先,我国已经参与了国际热核聚变实验堆(ITER)计划,ITER建成后将实现聚变功率500兆瓦长脉冲氘-氚燃烧等离子体,如果进展顺利,将于2025年建成运行。

  其次,我国已经完成中国聚变工程试验堆(CFETR)的设计,并且在20199月正式启动了聚变堆关键系统综合研究设施(CRAFT)项目,计划利用五年多的时间完成CFETR关键技术难点的攻关。如果顺利获批,CFETR可能于本世纪30年代建成,将挑战稳态运行、氚自持、聚变能量输出等技术,是开发聚变能的关键一步。

  最后,按照计划,我们想在本世纪中叶建成原型聚变电站,并实现我们的终极目标——聚变能实用化。

这次是100秒,下一个目标是什么?

  看过了咱们国家磁约束聚变的发展路线,那么,接下来,EAST又有哪些新的目标和任务呢?

  我们给EAST装置和自己设定了三大科学目标:1兆安培等离子体电流、1亿度高温等离子体、1000秒长脉冲运行。

  未来,EAST将聚焦高参数运行模式和长脉冲运行模式,瞄准ITER重要和急需解决的重大科学技术问题开展科学研究,并探索未来CFETR的运行模式提供可行的技术路线。

业内人士如何看待“实现可控核聚变还有50年”?

  网上有个关于可控核聚变的梗,是说“距离实现可控核聚变还有50年”,这句话从本世纪初一直说到现在,仍未改变,可谓“吐槽恒久远,一句永流传”……

  那么作为业内人士,我是如何看待这句调侃的呢?

  我觉得这句话恰恰说明了实现聚变能开发的挑战有多么巨大。回顾聚变研究近70年的历史,我们曾先后建成了中型托卡马克和大型托卡马克,发现了高约束模式,实现了功率增益大于1。特别是进入21世纪后,磁约束聚变迎来全超导托卡马克时代,使稳态运行成为可能。但我们也必须看到,前方还有不短的路要走。

  至于究竟有多远?我想这我一个人肯定说了不算,反正按照咱们的计划,随着聚变科学的不断突破,我们乐观估计本世纪中叶能够实现稳态核聚变能源。

“让聚变能的第一盏灯点亮在中国”

  最后,想和大家分享一下我的心情。

  有不少朋友问我,参与这项研究的心情是什么样的?我们跑在最前面,而且距离商用还有挺长的路走,心中会不会也产生迷茫和不确定感?

  实话实说,参与该项研究由衷感到自豪,但同时也感到紧迫。

  《未来简史》将能源视为人类发展的关键资源之一,我们的研究是为可持续发展提供能源保障,同时,面对日益严峻的环境问题,我们倍感紧迫,希望早日迈向聚变能应用,助力碳中和目标。

  虽然我国对于磁约束聚变的研究起步较晚,但后来者居上,依托EAST装置,我们成功实现了从并跑到部分领跑的跨越。与此同时,我们也要看到自身的短板,我们希望通过自身的努力实现全面领先的跨越。

  我们的目标很坚定,就是要让聚变能的第一盏灯点亮在中国,为了这个目标,所有聚变人将心无旁骛、全力以赴!

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