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探访“人造太阳”项目:有望2050年点亮你家灯泡

东风标致408 

  原标题:“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,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”。

 ↑磁约束核聚变示范堆示意图 ↑磁约束核聚变示范堆示意图

  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。

 ↑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)

  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。

  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”。

  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。

  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。(记者张想玲 摄影雷远东)

  来源:华西都市报

责任编辑:张迪

根据《教育部办公厅关于编制发布高校毕业生就业质量年度报告的通知》(教学厅2013年25号),制定如下评价方法。

上级一声令下,付立志立即带领官兵,打上背包,在某通道附近扎下了营。

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发布时间:2017-10-24 02:12:32

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