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        [聚變能:通向“人造太陽”之路]慣性約束核聚變激光驅(qū)動(dòng)裝置

        發(fā)布時(shí)間:2020-02-14 來源: 短文摘抄 點(diǎn)擊:

          參與“人造太陽”計(jì)劃,是中國(guó)目前投入最大的國(guó)際大科學(xué)1-程,也是中國(guó)有史以來首次以平等伙伴身份參加的規(guī)模最大的國(guó)際科技合作項(xiàng)目。      人類迫切需要一個(gè)“人造太陽”來提供源源不斷的清潔能源。據(jù)1998年世界能源委員會(huì)公布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),按照1998年世界能源消耗量計(jì)算,已探明的可用儲(chǔ)量:石油可用約50年;天然氣可用約70年;煤炭可用約200年;天然鈾可用約60年;如果把全部資源納入考慮,大約也只能用200~300年,人類社會(huì)將面臨一次能源枯竭的嚴(yán)重危機(jī)。
          與此同時(shí),無論化石燃料還是寶貴的化工原料,如果僅用來做燃料,將其消耗殆盡的同時(shí),也必然會(huì)對(duì)環(huán)境造成相當(dāng)嚴(yán)重的破壞和污染。這不僅是自然資源的不合理的使用,而且對(duì)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展造成了嚴(yán)重的威脅,為此付出的代價(jià)無法估量。因此。全球必須進(jìn)行并盡快完成戰(zhàn)略新能源的開發(fā)研究,對(duì)中國(guó)而言尤其如此,中國(guó)將比任何其他國(guó)家更快面臨嚴(yán)重的能源短缺和環(huán)境污染問題,中國(guó)的能源問題既是中國(guó)的問題也是世界的問題。
          
          新能源:聚變能的研究
          
          新能源有各種各樣,聚變能是其中之一。太陽的能量來自輕核聚變反應(yīng),太陽每秒將6.57億噸氫聚變成氦,虧損的質(zhì)量轉(zhuǎn)化成巨大的太陽能,成為支持太陽系統(tǒng)內(nèi)一切活動(dòng)的能量源泉。研究了太陽內(nèi)部的聚變反應(yīng)后,人類設(shè)想可以通過人工控制氘―氚聚變反應(yīng)產(chǎn)生聚變能。聚變能的優(yōu)勢(shì)很多,首先是能量巨大,一升海水中含有30毫克的氘,通過聚變反應(yīng)可釋放出的能量相當(dāng)于300多升汽油的能量;其次能量安全,聚變的反應(yīng)產(chǎn)物是非放射性的。聚變?nèi)剂鲜前匆欢ㄋ俣群蛿?shù)量加入的,所以任何時(shí)候在反應(yīng)室內(nèi)的聚變?nèi)剂隙疾欢,在進(jìn)行核聚變反應(yīng)時(shí),即使失控也不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重事故。聚變能的能量消耗對(duì)環(huán)境的破壞微乎其微,由于聚變反應(yīng)不產(chǎn)生二氧化碳和二氧化硫等有害氣體,也不會(huì)像核裂變那樣產(chǎn)生大量裂變產(chǎn)物,特別是半衰期長(zhǎng)的錒系元素,它的反應(yīng)產(chǎn)物只是非放射性的惰性氣體氦,所產(chǎn)生的放射性物質(zhì)只是可能泄漏的微量氚和半衰期很短的活化材料。顯然,聚變能是人類可持續(xù)發(fā)展的清潔安全而又資源無限的新能源。
          然而,在地球上實(shí)現(xiàn)持續(xù)的可控輕核聚變反應(yīng),條件要求相當(dāng)苛刻,對(duì)目前的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)具有很大的挑戰(zhàn)性。目前,人類實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷司圩冎饕袃煞N途徑――磁約束和慣性約束。由于慣性約束更多地與軍事相關(guān),所以保密性較強(qiáng),而磁約束聚變研究則屬于相對(duì)公開的領(lǐng)域。認(rèn)識(shí)聚變能,還要從磁約束聚變研究的起源開始談起。
          早在第二次世界大戰(zhàn)期間,美國(guó)在研制原子彈的時(shí)候,就已經(jīng)開始關(guān)注受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)的可能性。第二次世界大戰(zhàn)末期,美國(guó)、英國(guó)和蘇聯(lián)從軍事上考慮,一直在互相保密的情況下開展可控核聚變的研究。針對(duì)聚變反應(yīng)的反應(yīng)物――高溫等離子體的約束,大家不約而同地想到了使用磁場(chǎng),即通過強(qiáng)大的磁場(chǎng)形成一個(gè)封閉的環(huán)繞型磁力線,讓等離子體沿磁力線運(yùn)行。
          等離子體具有這樣一個(gè)性質(zhì)――磁場(chǎng)不可穿過其內(nèi)部,只可以沿著等離子體的邊沿繞行,這樣就可以使用磁場(chǎng)將等離子體約束起來,利用運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中作圓周運(yùn)動(dòng)的規(guī)律,使核聚變物質(zhì)與容器隔離。但是在研究和實(shí)驗(yàn)過程中人們很快就發(fā)現(xiàn)這種約束方式要比預(yù)想的困難得多,主要的障礙是等離子體的宏觀不穩(wěn)定性。這個(gè)困難難倒了大群的科學(xué)家,他們的研究也因此止步不前。
          1958年出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機(jī)。為了共同解決遇到的難題,在日內(nèi)瓦召開的第二屆和平利用原子能國(guó)際會(huì)議上,各國(guó)有關(guān)聚變研究的情況完全公開。在該次會(huì)議中,除了蘇、美、英三國(guó)以外,德、法、瑞典、日本等國(guó)家也都有這方面的報(bào)告提出,在證實(shí)各個(gè)國(guó)家研究能力的同時(shí),聚變研究成為會(huì)議的中心議題,得到全世界的關(guān)注和討論。值得一提的是,聚變研究的領(lǐng)頭羊――蘇聯(lián)還在會(huì)上宣布建成在當(dāng)時(shí)規(guī)模巨大的磁鏡裝置奧格拉(OrPA),這是當(dāng)時(shí)最為先進(jìn)的聚變裝置,得到大會(huì)的高度評(píng)價(jià)。會(huì)議之后的數(shù)年,聚變研究有了飛速發(fā)展,大量有關(guān)文獻(xiàn)在期刊和會(huì)議錄上相繼涌現(xiàn),聚變研究的重點(diǎn)也轉(zhuǎn)向了高溫等離子體物理的一些基礎(chǔ)課題。
          
          托卡馬克突出重圍
          
          經(jīng)過了1958年的解禁之后,各國(guó)都開始了公開的研究與討論。但是通過各種各樣的研究模式和方法上的努力,還是難以達(dá)到參數(shù)要求,距離建成實(shí)驗(yàn)堆仍有非常遠(yuǎn)的距離,全世界對(duì)聚變能的未來充滿了悲觀情緒。在實(shí)驗(yàn)研究上,為了克服等離子體宏觀不穩(wěn)定性問題的干擾,科學(xué)家設(shè)計(jì)并研發(fā)了各種各樣的實(shí)驗(yàn)裝置,其中以箍縮裝置、磁鏡、仿星器和托卡馬克(Tokamak)為主要研究裝置。
          托卡馬克裝置最初是由蘇聯(lián)莫斯科庫爾恰托夫研究所的阿齊莫維齊等人在1954年發(fā)明的,是一種利用磁約束來實(shí)現(xiàn)受控核聚變的環(huán)性容器。它的名字來源于環(huán)形(torordal)、真空室(komera)、磁(magmt)、線圈(kotushka),中文大意是環(huán)形磁籠真空放電器,也有個(gè)很貼切但沒有推廣的中文名“環(huán)流器”。這個(gè)裝置的出現(xiàn),影響了整個(gè)世界的聚變研究方向。
          1968年,又一次出現(xiàn)了曙光。這一年在蘇聯(lián)召開的第三屆核聚變國(guó)際會(huì)議上,來自蘇聯(lián)的阿奇莫維奇院士展示了托卡馬克裝置(T-3)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果:T-3利用強(qiáng)縱場(chǎng)在克服等離子體的宏觀不穩(wěn)定性上取得了突破性的進(jìn)展,等離子體的各項(xiàng)參數(shù)有很大提高。這個(gè)結(jié)果令人鼓舞和興奮,然而西方的科學(xué)家并不相信蘇聯(lián)人測(cè)定的參數(shù)結(jié)果。于是1969年由英國(guó)卡拉姆實(shí)驗(yàn)室主任皮斯派出一個(gè)專家小組,帶了自己的湯姆遜散射儀去測(cè)量,最終測(cè)量的結(jié)果證明了T-3的可靠性。
          此后,托卡馬克從眾多實(shí)驗(yàn)裝置中脫穎而出,在全世界掀起一股托卡馬克熱。這種熱潮使得在20世紀(jì)80年代初,世界上就建造了4個(gè)接近聚變堆的大型托卡馬克,每個(gè)裝置的投資都是上億美金。這4個(gè)裝置分別是美國(guó)醬林斯頓大學(xué)等離子體物理研究所(PPPL)的TFTR、歐洲卡拉姆的JET、日本原子能研究所的JT-60和蘇聯(lián)庫爾恰托夫原子能所的T-15超導(dǎo)托卡馬克。
          
          中國(guó)磁約束聚變研究
          
          一般認(rèn)為,中國(guó)1958年真正開始進(jìn)行聚變研究,與第二屆日內(nèi)瓦和平利用原子能國(guó)際會(huì)議是同一年。當(dāng)時(shí)中國(guó)的聚變研究主要在二機(jī)部系統(tǒng)和科學(xué)院中開展。早期在錢三強(qiáng)的帶領(lǐng)下,二機(jī)部系統(tǒng)建造一系列的小型聚變裝置。同時(shí),科學(xué)院的一些研究所,如物理所、電工所、力學(xué)所以及西安光機(jī)所等,包括水利水電部下屬的電力科學(xué)研究院,都開展了聚變方面的理論或是實(shí)驗(yàn)研究。另外,高等院校也扮演了重要的角色。包括北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)、華東師范大學(xué)、上海師范學(xué)院等在內(nèi)的高校對(duì)中國(guó)聚變研究的理論、文獻(xiàn)和人才培養(yǎng)也做出了巨大貢獻(xiàn)。
          文革前夕,中國(guó)聚變研究的布局已經(jīng)發(fā)生了很大變化。由于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的困難,以及 國(guó)家三線建設(shè)的決策和需要,很多單位的研究工作,特別是實(shí)驗(yàn)研究紛紛停車或下馬。文革以后,中國(guó)的聚變研究盡管遭遇多方困難,但依舊緊隨世界腳步,持續(xù)發(fā)展。受到國(guó)際聚變研究的影響,中國(guó)也把研究力量放在托卡馬克裝置上,各個(gè)研究機(jī)構(gòu)包括高等院校都開始研究并建成了自己的一系列托卡馬克聚變裝置。其中中科院物理所、合肥等離子體物理研究所,核工業(yè)西南物理研究院成為中國(guó)主要的聚變研究陣地。
          中科院物理所的CT-6是我國(guó)第一臺(tái)托卡馬克裝置,CT是中國(guó)托卡馬克之意(China Tokamak的第一個(gè)字母組合),之后又建成了升級(jí)版CT-6B。在當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)條件下,建成這樣的兩個(gè)裝置所遇到的困難是難以想象的。
          中國(guó)科學(xué)院合肥聚變站(即現(xiàn)在的合肥等離子體物理研究所)成立之后的1975年,在接受了中科院物理所贈(zèng)送的真空室之后建成了一臺(tái)空心變壓器的托卡馬克,稱為HT-6,HT是合肥托卡馬克之意(HelmTokamak的首字母組合),后來又建造了兩個(gè)托卡馬克裝置分別是HT-6B和HT-6M。隨著裝置的不斷進(jìn)步,合肥等離子體物理研究所成為了中國(guó)聚變研究的重鎮(zhèn)。1994年是合肥所發(fā)展的關(guān)鍵之年,這一年合肥等離子體物理研究所建成了中國(guó)第一臺(tái)超導(dǎo)托卡馬克裝置HT-7。
          關(guān)于HT-7裝置,還有一段有趣的故事。
          1990年,時(shí)任國(guó)際熱核聚變理事會(huì)中國(guó)理事的李整武先生將蘇聯(lián)理事Kadomtsev的一封信轉(zhuǎn)交給了合肥等離子體物理所的霍裕平所長(zhǎng),信中建議將蘇聯(lián)的一個(gè)用于工程研究的超導(dǎo)托卡馬克裝置T-7轉(zhuǎn)讓給合肥所。但這個(gè)裝置原先設(shè)計(jì)是工程研究用的,磁體結(jié)構(gòu)非常緊湊,并不適宜于實(shí)驗(yàn)研究。當(dāng)時(shí)等離子體物理所的研究經(jīng)費(fèi)也非常困難。但所里下了破釜沉舟的決心,通過向銀行貸款,用800萬人民幣和一些286微機(jī)換回這臺(tái)蘇聯(lián)人認(rèn)為不可能做物理實(shí)驗(yàn)的裝置。拆運(yùn)回國(guó)之后,合肥所研究人員在外國(guó)專家的幫助下進(jìn)行了磁體系統(tǒng)的改造又加進(jìn)了自己的最新設(shè)計(jì),通過全所研究人員的勤奮鉆研,刻苦努力,終于在1994年12月28日將該裝置成功地改造成世界第二大超導(dǎo)托卡馬克HT-7,成為了繼俄、法、日之后的第四個(gè)擁有超導(dǎo)托卡馬克裝置的國(guó)家,引起了全世界的矚目。在HT-7成功運(yùn)行和物理實(shí)驗(yàn)取得重大進(jìn)展的基礎(chǔ)上,經(jīng)過反復(fù)論證,更為先進(jìn)的大型超導(dǎo)托卡馬克裝置的建造列入了研究計(jì)劃,當(dāng)時(shí)稱為HT-7U,后來改稱EAST(Experimental AdvancedSuperconducting"Tokamak“先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置”的縮寫)。EAST系統(tǒng)于2006年初建成并順利進(jìn)行了首輪工程調(diào)試,并成功地實(shí)現(xiàn)了物理運(yùn)行。EAST與國(guó)外同類裝置相比,項(xiàng)目使用資金最少、建設(shè)速度最快并在建成后的極短時(shí)間內(nèi)就取得了重大實(shí)驗(yàn)進(jìn)展,因而受到國(guó)際聚變界的高度評(píng)價(jià)。
          中國(guó)聚變研究的另外一個(gè)重要基地,是核工業(yè)西南物理研究院。該院第一個(gè)托卡馬克裝置是中國(guó)環(huán)流器一號(hào)裝置HL-1(HL是漢語拼音“HuanLiu”的簡(jiǎn)寫),隨后改進(jìn)發(fā)展為中國(guó)環(huán)流器新一號(hào)裝置(HL-1M)。后來,由于單位體制發(fā)生了改變,西南物理研究院在聚變研究的道路上遇到了很大的困難,當(dāng)時(shí)很多人認(rèn)為已經(jīng)無法再建造新的裝置,在此情況下,西南物理研究Ngk1988年就與德方接洽,希望德國(guó)的ASDEX裝置退役后能轉(zhuǎn)讓給該院,以接替HL-1M。然而裝置引進(jìn)的過程并不順利。最初德國(guó)人想把裝置轉(zhuǎn)讓給巴西人,但最終得益于中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和當(dāng)時(shí)極其良好的中德關(guān)系,在德國(guó)總理施羅德訪華后通過政治和外交關(guān)系敲定將裝置送給中國(guó)?梢韵胂笕绻麚Q作現(xiàn)在的德國(guó)總理默克爾,這樣的交易結(jié)果就是未知數(shù),從這次交易中也可以看出國(guó)家政治與科學(xué)技術(shù)發(fā)展之間微妙的關(guān)系。1997年,西南物理研究院派出工程人員將ASDEX裝置完好地拆運(yùn)回國(guó),但由于當(dāng)時(shí)裝置建造尚未獲立項(xiàng),所以這些零件都堆在臨時(shí)倉(cāng)庫里。直到1999年立項(xiàng)獲得批準(zhǔn),中國(guó)環(huán)流器二號(hào)A裝置(HL-2A)才作為另一項(xiàng)大科學(xué)工程正式動(dòng)工。2002年12月3日,HL-2A在成都白家新基地投入運(yùn)行。這是中德合作建造的裝置,由于應(yīng)用了新技術(shù),安裝了新設(shè)備,使該裝置在國(guó)際聚變研究中占有重要地位。
          中國(guó)的聚變研究一直是跟隨著國(guó)際的腳步摸索前進(jìn),特別是容易受到美國(guó)的影響。進(jìn)入90年代后期,美國(guó)的聚變研究受到了前所未有的沖擊和冷落,美國(guó)國(guó)會(huì)大幅削減磁約束聚變研究經(jīng)費(fèi)。受此影響,中國(guó)的聚變研究也面臨重重危機(jī),特別是一些有名望的華人科學(xué)家在看到美國(guó)的聚變研究計(jì)劃出現(xiàn)困難后,便建議中國(guó)政府跟隨美國(guó)步伐放棄或減少對(duì)聚變研究的支持,由此,缺少了國(guó)家大力支持的中國(guó)聚變研究面臨生死考驗(yàn),導(dǎo)致當(dāng)時(shí)的聚變科研隊(duì)伍大幅度萎縮,其中中國(guó)科學(xué)院物理研究所、北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等機(jī)構(gòu)的聚變研究全部中斷,到目前為止,只有北京大學(xué)逐步恢復(fù)中斷的研究。
          
          ITER計(jì)劃與“人造太陽”
          
          ITER(International ThermonuclearExperimental Reactor)的全稱是國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆。“ITEIL”在拉丁文中意為“道路”,ITEK也意味著人類和平利用核聚變能源之路。由于核聚變研究是一項(xiàng)耗資巨大、研究周期相當(dāng)長(zhǎng)的大科學(xué)研究項(xiàng)目,人們認(rèn)識(shí)到只有開展廣泛的國(guó)際合作,才能達(dá)到實(shí)現(xiàn)核聚變能利用的目標(biāo)。ITER計(jì)劃便應(yīng)運(yùn)而生。
          從1987年美、蘇、歐、日四方進(jìn)行ITER設(shè)計(jì)到現(xiàn)在,20多年已經(jīng)過去,ITER計(jì)劃由最初4方國(guó)際合作,發(fā)展到現(xiàn)在包括美國(guó)、日本、歐盟、中國(guó)、俄羅斯、韓國(guó)和印度在內(nèi)的7方合作,是目前世界上繼國(guó)際空間站之后最大型的國(guó)際大科學(xué)合作計(jì)劃。ITER項(xiàng)目預(yù)計(jì)持續(xù)30年,前10年用于建設(shè),后20年用于操作實(shí)驗(yàn)。這一項(xiàng)目總花費(fèi)預(yù)計(jì)約為100億美元,歐盟承擔(dān)50%的費(fèi)用,其余6方分別承擔(dān)10%,超出預(yù)計(jì)總花費(fèi)10%的費(fèi)用將用于支付建設(shè)過程中由于物價(jià)等因素造成的預(yù)算超支。此外,參與各國(guó)完全平等地享有項(xiàng)目的所有科研成果和知識(shí)產(chǎn)權(quán)。
          ITER將集成當(dāng)今國(guó)際受控磁約束核聚變研究的主要科學(xué)和技術(shù)成果,第一次在地球上實(shí)現(xiàn)能與未來實(shí)用聚變堆規(guī)模相比擬的受控?zé)岷司圩儗?shí)驗(yàn)堆,解決通向聚變電站的許多物理和工程問題。這是人類受控?zé)岷司圩冄芯孔呦驅(qū)嵱眠^程中的必不可少的一步,因此受到各國(guó)政府及科技界的高度重視和支持。
          中國(guó)在加入ITER計(jì)劃過程中,經(jīng)歷了一場(chǎng)科學(xué)大論戰(zhàn),主要焦點(diǎn)是聚變堆的科學(xué)可行性和工程技術(shù)可行性問題。很多科學(xué)家提出異議,主要是因?yàn),他們不希望?guó)家把研究經(jīng)費(fèi)投放到在他們看來有限的時(shí)期內(nèi)不可能實(shí)現(xiàn)的任務(wù)目標(biāo)中。經(jīng)過激烈的爭(zhēng)辯,最終國(guó)家決定要加入ITEIk國(guó)際合作計(jì)劃,并于2006年11月21日在法國(guó)巴黎正式簽署合作協(xié)議,于2007年正式由全國(guó)人大審議通過。這是迄今中國(guó)投入最大的國(guó)際大科學(xué)工程,也是我國(guó)有史以來有機(jī)會(huì)、有能力、以平等伙伴身份參加的規(guī)模最大的國(guó)際科技合作項(xiàng)目。按預(yù)期,該計(jì)劃將于2016年左右建成聚變堆,2030年左右完成實(shí)驗(yàn)運(yùn)行。如果順利,21世紀(jì)中葉后便可實(shí)現(xiàn)商業(yè)化能源供給。參與該計(jì)劃研究工作的包括中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所、核工業(yè)西南物理研究院等中國(guó)研究機(jī)構(gòu),赫赫有名的EAST裝置和HL-2A裝置等將為我國(guó)在參與ITER計(jì)劃科學(xué)技術(shù)研究方面提供基礎(chǔ)和有效保障。
          “ITER是我們這個(gè)時(shí)代最偉大的科學(xué)探索,世界人民攜手成立的全新的合作模式。ITER需要中國(guó)政府的支持,需要中國(guó)杰出科學(xué)家的思想。此時(shí),中國(guó)國(guó)際核聚變能源計(jì)劃執(zhí)行中心的成立,是ITER邁向成功的重要一步!2008年10月10日,中國(guó)科技部宣布成立中國(guó)國(guó)際核聚變能源計(jì)劃執(zhí)行中心,應(yīng)邀出席掛牌儀式的國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)國(guó)際組織總干事池田要發(fā)表了這樣的演說。
          執(zhí)行中心主任程津培院士在介紹中國(guó)參加ITEK計(jì)劃的進(jìn)展情況時(shí)表示,在中國(guó)出資ITER建設(shè)總額10%的金額中,80%以實(shí)物方式投入,主要是磁體,20%以現(xiàn)金方式投入,但中國(guó)將享有全部知識(shí)產(chǎn)權(quán),即獲得100%收益。執(zhí)行中心將積極組織參與ITEK計(jì)劃相關(guān)活動(dòng)和ITER組織管理,保障我國(guó)作為ITER計(jì)劃平等伙伴的各項(xiàng)權(quán)益,履行我國(guó)參加ITEK計(jì)劃的承諾和義務(wù)。
          ITEIk計(jì)劃因能源問題而誕生,為未來的“人造太陽”而努力。能源問題事關(guān)人類社會(huì)的未來,中國(guó)和世界都有責(zé)任承擔(dān)相應(yīng)的義務(wù),也都在為未來能源的開發(fā)與應(yīng)用出謀劃策,交流合作,聚變能的開發(fā)應(yīng)用只是其中一例。盡管通往“人造太陽”的道路上困難重重,但所有的聚變工作者都已做好了準(zhǔn)備,無論路途多么坎坷,多么波折,也要堅(jiān)持探索,堅(jiān)持實(shí)踐,不斷取得進(jìn)步。我們期望有一天“人造太陽”給人類社會(huì)帶來福祉。

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