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探访“人造太阳”项目:有望2050年点亮你家灯泡

2017-10-24 04:40:19

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  “四川智慧”破解世界最大科学合作工程核心部件

  人造太阳有望2050年点亮你家灯泡

   10月19日,核工业西南物理研究院内的中国环流器二号装置。

10月19日,核工业西南物理研究院内的中国环流器二号装置。

  想象着有一天,当地球资源面临枯竭的时候,人类是否可以使用“人造太阳”来获取能源?

  一个集结了包括中国在内的30多个国家的顶尖科学家,目前世界上最大的科学合作工程――国际热核聚变实验堆计划(简称“ITER”)正在有条不紊地进行着。由于项目模拟自太阳内部的核聚变原理,这个工程还有一个更加形象的名字:“人造太阳”。

  视线转移到成都,在双流区黄荆路5号――核工业西南物理研究院,一个多达500人的团队正在为这个项目夜以继日地忙碌着。

  去年10月,由“四川团队”自主研发制造的国际热核聚变核心部件“第一壁”,在国际上率先通过权威机构认证。这是“四川智慧”对这个被誉为人类历史上伟大事业之一的项目做出的重大贡献。

  10月20日,封面新闻-华西都市报记者走进这个团队,深度探访“人造太阳”项目背后的“四川力量”。

  特 别 提 醒

  今日封面新闻视频聚焦“人造太阳”

  解决人类能源终极问题

  承担着为了人类未来的百年甚至几百年寻找新型清洁能源的使命,涉及30多个国家,世界上最大的科学合作工程――国际热核聚变实验堆计划(简称“ITER”)正在多个国家进行着。ITER实验堆建在法国,建造预算约55亿美元;技术方面,中国将承担其中约9%的研发制造任务――由核工业西南物理研究院、中科院等离子体物理研究所等单位科学家具体承担。其中,位于成都的核工业西南物理研究院承担了其中约一半部件研发的重任。什么是“人造太阳”?它将如何解决人类能源的终极问题?请扫码下载并登录封面新闻APP,跟随镜头,一同感受这项伟大的科学计划背后的“四川力量”。

  能量之大

  攻关1亿℃高温 实现等离子体可控核聚变

  万物生长靠太阳。作为太阳系的主星,太阳内部时刻不停地发生着核聚变反应,为地球提供了源源不断的光和热。

  怎样才能实现“人造太阳”?科学家想了一个办法,就是把一团上亿℃的等离子体火球,用磁场把它悬浮起来,跟周边的任何容器材料不接触。这时,就可以对它加热、控制,进而实现“受控的核聚变”,实现“人造太阳”。

  等离子体天性“放荡不羁”,更喜欢漂泊不定。如何让其乖乖“受控”?在核工业西南物理研究院,有一个专门的装置来盛放这一团火球,它就是中国环流器二号A托卡马克装置。其主体呈甜甜圈状,边缘四周延伸出数十个“触角”,形似一颗颗星星。装置内部,由无数根铜导体线圈产生一个封闭的磁场,用来约束分散等离子体的行为。

  如果把试验装置看成一个微波炉,核工业西南物理研究院研究员、高级工程师黄梅的工作就是不断给这个装置加温。给微波炉加温的方式有很多种,黄梅的方式是其中一种,叫“电子回旋波加热”。“简单的说,就是通过微波注入等离子体,给微波炉添把火,让内部温度不断升高,从而让食物更快熟透。”

  目前,托卡马克装置的温度已升至5500万℃,这是迄今为止国内装置达到的最高温度。“要实现受控核聚变反应,必须达到上亿℃以上高温,以及足够高的密度等,如果因某种原因导致条件不能满足,聚变反应就会停止。”对于黄梅来说,如何持续给装置加温,达到“点火”要求,是他们还将继续面临的一个课题。

  40万亿吨氘 将解决人类能源问题

  上百人的团队,围坐在操作大厅里。对着面前两块超大屏幕,观测着相关参数的变化,眼睛都不敢乱眨,生怕漏过任何蛛丝马迹。

  这种高度紧张的状态,工作十年,钟武律每年都要经历两轮。通常是3月至5月的春季实验、11月到接近农历新年的冬季实验。每一次实验,内部人员称之为“一炮”。每次实验由于耗电量非常大,放炮时间通常1至2秒。

  作为等离子体诊断的“专职医生”,钟武律通过每一次实验,发现等离子在约束过程的变化。两次放炮间隔很短,只有8分钟。因此,他们必须在8分钟内,做出判断并且调整相关参数的设置。“离子体的变化是非常快的,达到微秒或者毫秒级别。”因此,在行业里有句话,做等离子的分析和物理实验,没干够5年,根本摸不着边。类似钟武律这样的工作,还有更庞杂的分工。

  如此繁复、浩瀚,为什么要启动“人造太阳”计划?在业内人士看来,核能包含两种方式:核裂变和核聚变。原子弹就是利用的核裂变的原理;氢弹、太阳则是核聚变的原理。人造太阳项目,也就是“受控热核聚变能源”,由于其固有的安全性、无污染的优越性、燃料资源丰富等特点,被认为是人类最理想的洁净能源。

  核工业西南物理研究院聚变科学所副所长许敏进一步解释说,最容易实现的核聚变能源来自氢的同位素,氘和氚的剧烈反应。一公升海水里提取出的氘,完全聚变反应可释放相当于燃烧300升汽油的能量。科学家初步估计,地球上的海水中蕴藏了大约40万亿吨氘。另一方面,它的环境可接受性比较好,因为聚变反应,产物是氦,其本身不具有放射性。在科学家们看来,核聚变一直以来被人们视为解决未来能源问题的希望。

磁约束核聚变示范堆示意图
磁约束核聚变示范堆示意图

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  创新驱动经济转型

  到2020年科技进步对四川经济增长贡献率达60%

  歼10、C919、翼龙无人机等大批举世瞩目的成就,都来自于“四川造”。“北斗”卫星移动通信系统、三代核电技术等一批重大关键共性技术取得突破,电子信息、航空航天、核技术等领跑全国。参与的国际热核聚变实验堆(ITER)计划取得积极进展,纳米膜层制备、复合材料工艺集成等关键技术达到国际领先水平……以创新驱动发展,四川正全力打造经济发展的新引擎,新动力。

  今年初出台的《四川省“十三五”科技创新规划》提出,到2020年,我省科技实力和创新能力大幅跃升,全面创新改革试验取得重要阶段成果,科技体制改革取得重大突破,大众创业、万众创新蓬勃开展,全省总体进入创新驱动发展阶段,创新型经济格局初步形成,加快建成国家创新驱动发展先行省和创新型四川。到“十三五”末,全社会研发经费支持占地区生产总值比例将达2.0%;规模以上工业企业研发投入占主营业务收入比例提高到0.8%;每万人发明专利拥有量7.5件;每万名就业人员中R&D(研究与开发)人员数达32人年/万人;技术市场交易额达400亿元;具备基本科学素养的公民比例达8%;高新技术企业达5000家,高新技术产业总产值规模超2万亿元,其中工业总产值占规上工业总产值比重超30%;科技进步对经济增长贡献率达60%。

  什么是人造太阳?

  把一团上亿℃高温的等离子体火球,用磁场悬浮起来,跟周边的任何容器材料不接触。再对它加热、控制,进而实现“受控的核聚变”,从而实现“人造太阳”。

  核工业西南物理研究院聚变科学所副所长许敏:

  研究“人造太阳”的过程中,会产生大量的前沿尖端技术,期待灯泡被核聚变点亮。

  “人造太阳”核心部件中方项目总工程师王平怀:

  及时传走热量需要一种特殊的结构,仅仅是攻克的两种材料连接工艺,项目组提交了多达十几项国家专利申请。

  核工业西南物理研究院研究员、高级工程师黄梅:

  等离子体天性“放荡不羁”,中国环流器二号A托卡马克装置专门用来约束分散等离子体的行为。

  等离子体诊断“专职医生”钟武律:

  离子体的变化达到微秒或者毫秒级别,必须在实验间隔的8分钟内,做出判断并且调整相关参数的设置。

  表情之变

  冷静、坚毅,不苟言笑。“人造太阳”核心部件“第一壁”的中方项目总工程师王平怀,有着一张标准的“科学脸”,亦或是“工科男”面孔。任何的外界喧嚣,很难在他脸上惊起太大的波澜。开口说话时,那种严谨到极致的风格,让急于在谈话中寻找爆点的倾听者,忍不住抓狂。只有当提到“第一壁”时,他的表情才会像解冻的春水,慢慢舒展,脸上流露出无法掩饰的喜悦,一圈圈地荡漾开来。去年12月,由王平怀团队自主研发制造的国际热核聚变核心部件“第一壁”,在国际上率先通过权威机构认证。让中国落后于美国20年的技术,一跃从“跟跑”实现了“领跑”。

 机器人正在焊接“人造太阳”核心部件“第一壁”设备。(受访单位供图)
机器人正在焊接“人造太阳”核心部件“第一壁”设备。(受访单位供图)

  寻觅 花十年找材料

  将美国垄断技术造价降低90%

  什么是第一壁?实验装置中的聚变物质时刻释放着高强度的热辐射。核心区最高温度能达到1亿℃,如果材料性能不佳,要么就被高温瞬间融化,要么就会让反应堆这座锅炉熄灭。王平怀说,要构建起“人造太阳”的核心,需要特殊的材料筑起一道“防火墙”,来抵御装置内部上亿℃的高温环境。在整个国际热核聚变实验堆计划中,多个国家都在研制这样的高温核心材料。中国科学家承担研制的这种材料,处于反应堆最核心位置,直接面对高温聚变物质,因而被称为反应堆的“第一壁”。2006年,中国正式加入ITER,接受了研制热核聚变反应堆核心部件的工作。十多年来,过五关斩六将,王平怀团队开启了攻克“第一壁”的漫长科研路。王平怀说,寻找“第一壁”,第一关就是材料。面对上亿℃高温的炙烤,任何普通材料瞬间就会灰飞烟灭。当时,业内普遍认为一种特殊的金属材料耐热性高,是最佳选择。彼时,世界上拥有这种材料的高纯度提取和制造工艺技术的国家中,美国处于技术垄断地位。这种高纯度金属材料,一公斤对外销售超上百万元人民币。由于材料的稀缺性,美国只是少量出售。“大部分时候,是有钱都买不到的。”王平怀说。为此,从2004年2013年,团队成员从高纯度金属材料提取开始,进行了长达十年的特殊材料研制工作。由王平怀所在团队自主研制的材料问世后,将美国垄断价格降低了90%。

  失落 模件决定命运

  一年半时间失败十几次

  单程将近30个小时的火车,一路从成都平原越过秦岭之巅,再到塞外的黄沙和肃杀,最后抵达终点站宁夏的一个小城。从2014年到2015年10月,一年多里,这条跨越1300公里的铁路线,成了王平怀所在项目组32个成员共同的梦魇,项目遇到了真正的低迷期。解决了“第一壁”材料问题后,王平怀们接下来要破解的是结构问题。研制人员想到了一种特殊的结构,把热量及时地传走。那是一块看上去像三明治一样的结构,底下是不锈钢,中间是铜合金,上面则是特殊的高纯度金属材料。再用特殊的方法,将这些材料结合到一起。如何将两个“个性”完全不同的材料,形成一个完整的功能件,成为他们面临的新难题。“可以说,这也是我们过去五年最痛苦的历程。”王平怀坦言,两者的物理性相差实在是太大。上面那层金属材料是最轻、也是最活泼的碱性金属元素组成,热导率比铜和金差了一倍以上。两者强行连接在一起,会形成一种新的物相,易脆,易断裂。尤其是2013年底,ITER更改了相关设计,对于“第一壁”的制作要求更加苛刻。

  这种工艺上的高难度,也让“第一壁”研发团队经历了长达一年多的低迷期。更改设计之后,他们制作的模块成功率不到20%。

  王平怀至今记得那段灰暗的日子。由于四川没有相关的机加工工厂,每次模块的最终机加工要送到宁夏。每次从设计制作到检测出来,大概需要三周时间。30小时的旅途,对于送模块的人来说,疲惫,但是带着希望。

  从成都到塞外,风景一路转变。这一切对于项目组成员来说,任凭风光无限,对他们都毫无意义。包里揣着的那几公斤模块件,更像是怀揣着整个项目组的心血和“第一壁”的前途与命运。

  王平怀记得,每次成员把模块件拿回来,32个人都会围着两个检测人员。那一刻,空气好像都凝固了,大气不敢出,生怕把好运气吹跑了。检测的过程很短。很快,人群中的低气压便弥漫开来。彼此相视时,有的也只是互相摇头和叹气。“那段时间,组里的气氛实在太压抑了。”王平怀说,以至于院里的领导在公开场合都要心照不宣地为他们加油打气。

  欢悦 他们终于成功

  提交了十多项国家专利申请

  这样的气氛,一直持续到2015年10月1日。

  那天,人们都在忙于休假,“第一壁”主要成员却早早地来到了办公室,等待远方归来的王平怀,那一次去宁夏送模块的正是他。

  有人自告奋勇去车站接他回来,然后一路小心翼翼地护送他到办公室。过去的无数次失败中,该排查和梳理的问题点,都已经排查并且进行了修正,这一次,应该不会再出问题了吧。那天到检测室的人并不多,只有六七个。王平怀清楚地记得,还是围着两个负责检测的工作人员,空气再次凝固。这一次,他们终于成功了。压抑了太久的项目组,气氛轻松起来,顾不得平时的矜持,大家紧紧拥抱在一起。由于这次创造性的突破,仅仅是他们攻克的两种材料的连接工艺,项目组就提交了多达十几项国家专利申请。

  希望之源

  核聚变的优势是显而易见的,如何真正实现受控的核聚变,以至于未来的并网发电,还有漫长的路要走。

  “人造太阳”并网发电

  有望2050年点亮四川人的灯泡

  到今年为止,国家“青年千人计划”学者、核工业西南物理研究院聚变科学所副所长许敏,已经在环流器二号A装置上耕耘了五年。

  过去五年里,他们取得了很多成就。譬如,实验装置的加热功率至少翻了一倍,加热手段也更多了。装置运行时,里面燃料的温度一般是2000万~3000万℃,现在十几毫秒甚至几毫秒就可以达到。此外,持续加热以及寻找诸如构成“第一壁”这样的高温耐热材料,是未来的重要命题。

  目前,38岁的许敏还在积极培养后备军,成立了一个由全国各个高校聚变领域的青年学子组成的课题组。他们刚刚初步建成了目前中国最大的直线等离子体装置,目的在于寻找适合建造核聚变堆的新型耐高温材料。“还有一个难题,来自于核聚变所需要的除了氘以外的另一种原料氚。氘和氚的剧烈反应,才能发生聚变。”许敏说,氚的半衰期只有12.3年,而每年一个100万千瓦的核聚变电站发电就要燃烧56公斤的氚。

  作为地球上最稀有的元素,氚的成本非常高。许敏说,一个最好的办法,就是在核聚变反应中产生氚,并且使得氚能够自持。这也就意味着,燃烧掉了多少氚,还要产生出等量的氚来。

  虽然研究过程耗资高昂,核聚变试验可能还要几代人的心血,不过,许敏对于核聚变的发展还是非常乐观。首先,在研究“人造太阳”的过程中,会产生大量的前沿尖端技术。很多都有广泛的军事和商业应用前景。

  以试验中使用的高功率微波技术来说,可以广泛使用到通信领域,实现国产化并能够节省大量成本。其次,等到核聚变电站能够并网发电后,核聚变能源的生产成本相对低廉,普通老百姓都能消费得起。“目前业内人士普遍认为这个时间节点是2050年。我算了一下,那个时候,我应该可以看到。”许敏说,期待灯泡被核聚变点亮。

  华西都市报-封面新闻记者张想玲摄影雷远东

  读数

  1亿℃

  等离子体天性“放荡不羁”,要实现受控核聚变反应,必须达到上亿℃以上高温,以及足够高的密度等。目前,核工业西南物理研究院研发的托卡马克装置温度已升至5500万℃,这是迄今为止国内装置达到的最高温度。如何持续给装置加温,达到“点火”要求,是继续面临的课题。

  100万元

  构建“人造太阳”核心,必须用一种特殊金属材料筑起防火墙,这种高纯度金属一公斤对外销售超过上百万元人民币。从2004年-2013年,核工业西南物理研究院团队进行了长达十年的特殊材料研制,如今自主研制的材料问世后,将美国垄断价格降低了90%。

  2050年

  研究过程耗资高昂,核聚变试验可能还要几代人的心血。等到核聚变电站能够并网发电后,核聚变能源的生产成本相对低廉,普通老百姓都能消费得起。目前,业内人士普遍认为这个时间节点是2050年。

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