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長弓有心 / 新能源 / [轉載]中國“人造太陽”(上)

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[轉載]中國“人造太陽”(上)

2017-05-01  長弓有心

中國“人造太陽”

——我國可控核聚變裝置發展概況(上)


工程總投資:—
工程期限:1958年——2050年

[轉載]中國“人造太陽”(上)

位于四川省成都市雙流縣白家鎮,核工業西南物理研究院聚變研究試驗基地的“中國環流器2號A裝置”

 

 

 

  2006年9月28日,中國耗時6年、耗資3億元人民幣自主設計制造的新一代托卡馬克磁約束核聚變裝置“EAST”首次成功完成放電實驗,獲得電流200千安、時間接近3秒的高溫等離子體放電;使EAST成為世界上第一個建成并真正運行的“全超導非圓截面托卡馬克”核聚變實驗裝置。這是中國可控核聚變研究的里程碑式突破。

 

    在古希臘神話中,普羅米修斯從太陽神阿波羅處盜下的天火,照亮了人類的黑夜。在人類現代科技中,可控核聚變技術將照亮人類能源的未來之路,由于可控核聚變反應堆產生能量的方式和太陽類似,因此它也被俗稱為“人造太陽”。

 

    太陽是熱核聚變反應的典型代表,1938年,美國科學家貝特(H.Bethe)和德國科學家魏茨澤克(C.F.v.Weizsacker)推測太陽能源可能來自它的內部氫核聚變成氦核的熱核反應,這甚至早于核裂變模型的提出。太陽的核心溫度高達1500萬攝氏度,表面有6000度,壓力相當于2500億個大氣壓。核心區的氣體被極度壓縮至水密度的150倍。在這里每時每刻都發生著熱核聚變,太陽每秒鐘把七億噸的氫變為氦,在這過程中失去400多萬噸的質量,這種聚變反應已經持續了幾十億年,它的輻射能量給地球帶來無限生機。

 

世界能源危機

    自人類進入工業化以來,世界能源消耗迅速增長。有數據顯示,自1973年以來,人類已經開采了5500億桶石油(約合800億噸),按照現在的開采速度,地球上已探明的1770億噸石油儲量僅夠開采50年,已探明的173萬億立方米天然氣僅夠開采63年;已探明的9827億噸煤炭還可以用300年到400年。核電站發電需要濃縮鈾,世界上已探明的鈾儲量約490萬噸,釷儲量約275萬噸,全球441座核電站目每年需要消耗6萬多噸濃縮鈾,地球上的鈾儲量僅夠使用100年左右。世界各國水能開發也已近飽和,而風能、太陽能尚無法滿足人類龐大的需求。

    隨著石油價格上漲,能源危機再次被提起,各國也加快了新能源研發,核聚變能就是重點之一。與傳統的裂變式核電站相比,核聚變發電具有明顯的優勢。核聚變所用的重要核燃料是氘,理論上,只需1千克氘和10千克鋰(通過鋰可得到氘)就可以保證一座百萬千瓦聚變核電站運轉一天,而傳統核電站和火力發電站至少需要100千克鈾或1萬噸煤。制取1千克濃縮鈾的費用是1.2萬美元,而制取1千克氘的費用只有300美元。一座100萬千瓦的核聚變電站,每年耗氘量只需304千克;而一座百萬千瓦裂變式核電站,需要30-40噸核燃料。

    氘的發熱量相當于同等煤的2000萬倍,是海水中大量存在的元素。據測算,海水中大約每600個氫原子中就有一個氘原子,每1公升海水中含有0.03克的氘,通過核聚變反應產生的能量,相當于燃燒300公升的汽油。就是說,“1升海水約等于300升汽油”。地球上的海水總量約為138億億立方米,其中氘的儲量約40萬億噸,足夠人類使用百億年。鋰是核聚變實現純氘反應的過渡性輔助“燃料”,地球上的鋰儲量有2000多億噸,海水中的氘再加上鋰至少夠我們地球用上千億年。氚雖然在自然界比氘少得多,但可從核反應中制取,也可用于熱核反應。科學家們正在以海水中的氘為主要原料,進行核聚變反應試驗,以期建立可以投入商業運營的熱核聚變反應堆,徹底解決人類未來的能源問題。

  更為可貴的是核聚變反應是清潔能源,中幾乎不存在放射性污染,核裂變的原料本身帶有放射性,而核聚變反應過程中,在任何時刻都只有一丁點的氘在聚變,無需擔憂失控的危險,而且也不會產生放射性的物質。即使像切爾諾貝利核電站那樣發生損壞,核聚變反應堆也會自動立即中止反應,因此受控核聚變產生的能量名符其實是一種無限、清潔、成本低廉和安全可靠的新能源。在這一系列的動力下,核聚變的研究已經持續了半個多世紀。

[轉載]中國“人造太陽”(上) 

核聚變發電原理

    核聚變反應堆的原理很簡單,只不過對于人類當前的技術水準,實現起來具有相當大的難度。

    物質由分子構成,分子由原子構成,原子中的原子核又由質子和中子構成,原子核外包覆與質子數量相等的電子。質子帶正電,中子不帶電。電子受原子核中正電的吸引,在"軌道"上圍繞原子核旋轉。不同元素的電子、質子數量也不同,如氫和氫同位素只有1個質子和1個電子,鈾是天然元素中最重的原子,有92個質子和92個電子。

    核聚變是指由質量輕的原子(主要是指氫的同位素氘和氚)在超高溫條件下,發生原子核互相聚合作用,生成較重的原子核(氦),并釋放出巨大的能量。1千克氘全部聚變釋放的能量相當11000噸煤炭。其實,利用輕核聚變原理,人類早已實現了氘氚核聚變———氫彈爆炸,但氫彈是不可控制的爆炸性核聚變,瞬間能量釋放只能給人類帶來災難。如果能讓核聚變反應按照人們的需要,長期持續釋放,才能使核聚變發電,實現核聚變能的和平利用。

 

    如果要實現核聚變發電,那么在核聚變反應堆中,第一步需要將作為反應體的氘-氚混合氣體加熱到等離子態,也就是溫度足夠高到使得電子能脫離原子核的束縛,讓原子核能自由運動,這時才可能使裸露的原子核發生直接接觸,這就需要達到大約10萬攝氏度的高溫。

 

    第二步,由于所有原子核都帶正電,按照“同性相斥”原理,兩個原子核要聚到一起,必須克服強大的靜電斥力。兩個原子核之間靠得越近,靜電產生的斥力就越大,只有當它們之間互相接近的距離達到大約萬億分之三毫米時,核力(強作用力)才會伸出強有力的手,把它們拉到一起,從而放出巨大的能量。

 

    質量輕的原子核間靜電斥力最小,也最容易發生聚變反應,所以核聚變物質一般選擇氫的同位素氘和氚。氫是宇宙中最輕的元素,在自然界中存在的同位素有: 氕、氘 (重氫)、氚 (超重氫)。在氫的同位素中,氘和氚之間的聚變最容易,氘和氘之間的聚變就困難些,氕和氕之間的聚變就更困難了。因此人們在考慮聚變時,先考慮氘、氚之間的聚變,后考慮氘、氘之間的聚變。重核元素如鐵原子也能發生聚變反應,釋放的能量也更多;但是以人類目前的科技水平,尚不足滿足其聚變條件。

 

    為了克服帶正電子原子核之間的斥力,原子核需要以極快的速度運行,要使原子核達到這種運行狀態,就需要繼續加溫,直至上億攝氏度,使得布朗運動達到一個瘋狂的水平,溫度越高,原子核運動越快。以至于它們沒有時間相互躲避。然后就簡單了,氚的原子核和氘的原子核以極大的速度,赤裸裸地發生碰撞,結合成1個氦原子核,并放出1個中子和17.6兆電子伏特能量。

 

    反應堆經過一段時間運行,內部反應體已經不需要外來能源的加熱,核聚變的溫度足夠使得原子核繼續發生聚變。這個過程只要將氦原子核和中子及時排除出反應堆,并及時將新的氚和氘的混合氣輸入到反應堆內,核聚變就能持續下去;核聚變產生的能量一小部分留在反應體內,維持鏈式反應,剩余大部分的能量可以通過熱交換裝置輸出到反應堆外,驅動汽輪機發電。這就和傳統核電站類似了。

 

    核聚變消耗的燃料是世界上十分常見的元素——氘(也就是重氫)。氘在海水中的含量還是比較高的,只需要通過精餾法取得重水,然后再電解重水就能得到氘。新的問題出現了,僅僅有氘還是不夠的,盡管氘-氘反應也是氫核聚變的主要形式,但我們人類現有條件下,根本無法控制氘-氘反應,它太猛烈了,所需要的溫度要高得多,除了在實驗室條件下做一次性的實驗外,很難讓它鏈式反應下去——那是氫彈一樣的威力。還好,人們發現了氘-氚反應的烈度要小很多,它的反應速度僅僅是氘-氘反應的100分之一,而點火溫度反倒低得多,很適合人類現有條件下的利用。

 

    而氚不同于氘,氚是地球上最稀有的元素,由于氚的半衰期只有12.26年,所以在地球誕生之初的氚早已衰變地無影無蹤了。現在人類的氚都是人工制造而非天然提取的,人們通常用重水反應堆在發電之余人工制造少量的氚—— 它是地球上最貴的東西之一,一克氚價值超過30萬美元,僅在美國保存有30公斤左右的氚。這么貴的原料,用作核聚變發電顯然是無法接受的,幸好上帝給人類又提供了一種好東西——鋰。鋰元素也是世界上最豐富的資源,有2000多億噸。一方面海水中就包含足夠的氯化鋰,分離出來即可。另一方面,中國是世界鋰資源最豐富的國家,碳酸鋰礦也不是稀有資源,更容易獲得。鋰的2種同位素——鋰-6和鋰-7,在被中子轟擊之后,就會裂變,他們的產物都是氚和氦,目前為止人類在重水反應堆中制造氚,用的就是將鋰靶件植入反應堆的方法。

    在聚變反應堆內,氚和氘反應后,除了形成一個氦原子核之外,還有一個多余的中子,并且能量很高。我們只需要在核聚變的反應體之內保持一定比例的鋰原子核濃度,那么核聚變產生的中子就會轟擊鋰核,促使鋰核裂變,產生一個新的氚,這個氚則繼續參與氚-氘反應,繼而產生新的中子,鏈式反應形成了。所以,理論上我們只需要給反應體提供兩種原料——氘和鋰,就能實現氘-氚反應,并且維持它的進行。

    看起來很簡單是吧,只是還有一個問題,能夠承載上億攝氏度超高溫反應體的核反應堆用什么材料來制造呢?要知道,太陽表面的溫度也才只有6000萬度左右。迄今為止,人類還沒有造出任何能經受1萬攝氏度高溫的材料,更不要說上億攝氏度了。以上這些因素就是為什么一槌子買賣的氫彈已經爆炸了50年后,人類還是沒能有效地從核聚變中獲取能量的重要原因。

[轉載]中國“人造太陽”(上)

[轉載]中國“人造太陽”(上) 

托卡馬克裝置

    為了解決核聚變反應堆的制造問題。早在60年前,科學家們提出了兩種約束高溫反應體進行核聚變的理論,一種是激光慣性約束。這一方法是把幾毫克的氘和氚的混合氣體裝入直徑約幾毫米的小球內,然后從外面均勻射入高能激光束或粒子束,球囊內的氘-氚反應氣體受力向內擠壓,壓力升高,溫度也急劇升高,當溫度達到核反應需要的溫度時,球內氣體發生核聚變反應,產生大量熱能。這樣的爆炸每秒鐘持續不斷地發生三四次,釋放出的熱量傳導出來就能發電,功率可達到百萬千瓦以上。這一理論的奠基人之一是我國著名科學家王淦昌院士。

    另一種就是磁力約束,如核聚變反應的高溫條件下,等離子體微粒的運行難以捉摸。而實現可控制的核聚變,就必須約束這些“亂跑”的等離子體。那么,怎樣在高溫下約束等離子體的運行?

  20世紀40年代末,蘇聯科學家伊戈爾·塔姆和安德烈·薩哈羅夫(蘇聯氫彈之父)提出了“磁約束”概念,即通過強大的磁場形成一個封閉的環繞型磁力線,讓等離子體沿磁力線運行。等離子體具有的一個性質是,磁場不可穿過其內部,只可以沿著等離子體的邊沿繞行,這樣就可以使用磁場將等離子體約束起來,利用運動電荷在磁場中作圓周運動的規律,使核聚變物質與容器隔離。

    磁籠線圈通電后會產生巨大磁場,將等離子體攬在環形真空室內做高速螺旋運動,就好像鏈球運動員一樣,雖然球在圍著身體高速旋轉,控制球的繩子卻一直抓在手里,它可以把炙熱的等離子體托舉在空中。根據這一原理,蘇聯庫爾恰托夫原子能研究所的阿奇莫維奇不斷進行研究和改進,于1954年制造了世界第一個“環形磁約束容器”裝置,他們將這一形如面包圈的環形容器命名為托卡馬克(tokamak)。它的名字 Tokamak 來源于環形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、線圈(kotushka),中文大意是環形磁籠真空放電器,也有個很貼切但是沒有推廣的中文名 “環流器”。

 

    從50年代開始聚變研究以來,世界各國發展了很多類型的磁約束聚變裝置,有箍縮、仿星器、多極場、托卡馬克等形式,但參數都很低。直到1968年8月,在蘇聯召開國際受控核聚變研討會上,阿齊莫維齊宣布蘇聯在T-3托卡馬克裝置上實現了1000萬度的等離子體放電,并實現能量輸出,這是受控核聚變研究的重大突破,在國際上掀起了一股托卡馬克的熱潮,各國相繼建造或改建了一批大型托卡馬克裝置。其中比較著名的有美國普林斯頓大學由仿星器-C改建成的ST Tokamak,美國橡樹嶺國家實驗室的奧爾馬克(Ormark),法國馮克奈-奧-羅茲研究所的TFR Tokamak,英國卡拉姆實驗室的克利奧(Cleo),西德馬克斯-普朗克研究所的 Pulsator Tokamak等。除“仿星器”外,其他裝置逐步退出科研的平臺。利用托卡馬克裝置進行的磁約束核聚變研究和利用高能激光進行的慣性約束核聚變研究,成為世界可控核聚變研究的兩種主要途徑。

 

    半個世紀以來,在30多個國家建造的大大小小上百個實驗裝置上,每一次放電時間的延長,人們都為之興奮;每一次溫度的提高,人們都為之歡呼;因為這看似小小的進步,都意味著我們離聚變能的應用更近了一步。為了達到聚變所要求的條件,托卡馬克已經變為一個高度復雜的裝置,十八般武藝全用上了,其中有超大電流、超強磁場、超高溫、超低溫等極限環境,對工藝和材料也提出了極高的要求,從堆芯上億度的高溫到線圈中零下269度的低溫,就可見一斑。由于難度過高,世界各國不得不攜手合作,因此可控核聚變已經成為世界最開放的高技術合作領域。


中國早期可控核聚變研究
    我國核聚變能研究開始于上世紀50年代末,盡管經歷了長時間非常困難的環境,但始終能堅持穩定、逐步的發展,建成了兩個在發展中國家最大的、理工結合的大型現代化專業研究所,即中國核工業集團公司所屬的西南物理研究院(SWIP)及中國科學院所屬的合肥等離子體物理研究所(ASIPP)。為了培養專業人才,還在中國科技大學、大連理工大學、華中理工大學、清華大學等高等院校中建立了核聚變及等離子體物理專業或研究室。

 

    我國核聚變研究起步時,就以在我國實現受控熱核聚變能為主要目標。從上世紀70年代開始,集中選擇了托卡馬克裝置為主要研究途徑,先后建成并運行了小型CT-6(中科院物理所)、KT-5(中國科技大學)、HT-6B(合肥等離子所)、HL-1(西南物理研究院)、HT-6M(合肥等離子所)及中型HL-1M(西南物理研究院)等幾十裝置。2002年,西南物理研究院建成的環流器2號A裝置(HL-2A),進入世界少數幾個中型托克馬克之列。在這些裝置的成功研制過程中,組建并鍛煉了一批聚變工程隊伍,開展了一系列十分有意義的研究工作。

 

    中國原子能科學研究院創建于1950年,是新中國第一個核科研機構,吳有訓、錢三強、趙忠堯、王淦昌、彭桓武、于敏、鄧稼先等中國核科技事業的先驅者們,在這里艱苦拓荒,為中國核科技事業的發展打下了初步的基礎,1958年,該所建成我國第一座實驗性重水反應堆和回旋加速器,現有工作人員3000余人。1958年,中國科學院原子能研究所二部(現原子能科學研究院)開始磁約束聚變的研究。1964年12月,王淦昌獨立提出激光驅動核聚變的建議。在他倡導下,我國激光慣性約束核聚變研究開始起步。在他直接領導下,先后開展強流電子束慣性約束核聚變和氟化氪激光慣性約束核聚變的基礎性研究工作。1966年“文革”以前,二機部和中科院的領導協商,確定科學院也開展受控核聚變的研究工作,由二機部主攻磁鏡,中科院開展箍縮類裝置研究。

[轉載]中國“人造太陽”(上)北京中關村科技園區創始人——陳春先(右),中國最早的核聚變研究專家和他領銜研制的CT-6裝置。

中國第一臺托卡馬克裝置(CT-6)

    中國科學院物理研究所前身是成立于1928年的中央研究院物理研究所和成立于1929年的北平研究院物理研究所。1950年在兩所合并的基礎上成立了中國科學院應用物理研究所,1958年更名為物理研究所。至今,已有50余位院士先后在物理所工作過,包括吳有訓、趙忠堯、嚴濟慈、吳健雄、錢三強等著名科學家。從1972年起,中科院物理所研究員陳春先和中科院電工研究所嚴陸光等人組成課題組,開始研制我國第一臺鐵芯變壓器托卡馬克裝置——北京托卡馬克6號(CT-6),并于1974年正式建成,引起國際物理學界的高度重視。該裝置于1974年開始運行,1975年得到平衡穩定等離子體環。其參數為大環半徑R=45厘米;小半徑a=10厘米;環向磁場B=1.3KG;等離子體電流Ip≤35安培。利用該裝置,進行了平衡不穩定邊界的觀測以及微波預電離、清洗放電等實驗工作。北京托卡馬克6號的研制成功不僅是我國當年最好的科技成果,也打破西方發達國家對核聚變的壟斷。該成果獲1978年全國科技大會一等獎。1978年CT-6裝置升級為CT-6B,后于2000年關閉。

 

核工業西南物理研究院

    核工業西南物理研究院建于1965年,隸屬中國核工業集團公司,是我國最早從事核聚變能源開發的專業研究院。1965年8月,因中蘇關系日趨緊張,國務院國防工業辦公室和二機部(核工業部)共同決定:將1958年建于東北黑龍江的原子核物理研究所(503所),遷移至四川樂山市郊肖壩的大山里重建。為戰備需要,他們在建設過程中,先將整座大山挖開,在洞里建造‘工號’,最后再用土掩埋起來,讓實驗室和山連為一體。這樣,偵察機從上至下看,便是一座山。而對于樓房,則在樓頂加水做成水池,讓敵機俯瞰誤以為是稻田。對外他們則自稱是“化工機械廠”。為了讓研究所更隱蔽,要求公路不能超過8米寬,否則很容易被敵國衛星、飛機偵察出此地有大型研究機構。即便是當地市長都不知道他們是做什么的。直到1977年,中央批準可以有限制對外開放后,當地政府才第一次知道這座“化工機械廠”原來是研究核聚變的專門機構。

 

    核聚變研究包括激光慣性約束核聚變和托卡馬克裝置兩條道路。1954年,世界第一個托卡馬克裝置在原蘇聯庫爾恰托夫原子能研究所建成。1968年,前蘇聯庫爾恰托夫原子能研究所的科學家在T3托卡馬克裝置上取得新突破,在1000萬度高溫以上獲得穩定環形高溫等離子體,在全球核聚變界引起轟動,西方各國紛紛建造托卡馬克,70年代中期之后,各國建造大型托卡馬克裝置(JET , JT60, TFTR)的項目紛紛上馬。

    1968年,核工業西南物理研究院老院長邢洪業在北京一個外語書店里看到關于俄羅斯專家運行托卡馬克的實驗裝置,深受鼓舞。他第一個提出,我國應該走托卡馬克實驗裝置路徑進行核聚變研究。當時很多人反對,也有人贊同。邢洪業頂住壓力,在我國12年規劃后面寫了一個‘7年躍進’規劃的附件,建議采用托卡馬克實驗裝置。”經過40多年的發展,該所共建成了22個受控核聚變等離子體實驗研究裝置,開展了一系列物理實驗。九十年代后,核工業西南物理研究院又在成都市近郊雙流縣白家鎮新建了聚變研究實驗基地,中國環流器二號A裝置就建在此地。

[轉載]中國“人造太陽”(上) 

中國環流器一號(HL-1)

    1984年9月21日,核工業部西南物理研究所設計建造的受控熱核聚變研究實驗裝置——中國環流器一號(HL-1),在四川省樂山市郊順利啟動并通過驗收。西南物理研究院在環流器一號( HL-1)之前已經建造很多小尺寸的裝置,環流器一號是中國第一個中型“托卡馬克”裝置,大環半徑1.02米,由干式長脈沖變壓器、環向磁場線圈、內外垂直磁場線圈、內外真空室、超高真空機組和高真空機組,以及主機支架及其驅動機構等六大部件。這套裝置順利啟動后,產生了等離子體,取得了預期的調度數據。環流器一號的研制成功,標志著中國在受控熱核聚變科研領域的裝置建造和實驗手段有了新發展,為今后的物理試驗研究打下了良好的基礎。
 
    1994年10月,在中國環流器一號裝置的基礎上,該所建成了中國環流器新一號裝置(HL-1M),中國環流器一號經過重新改建,各項參數均有重大提高。真空室結構由原來的雙層改成了單層厚壁真空室;在無導體殼的情況下,采用了先進的托卡馬克等離子體平衡反饋手段;診斷實驗窗口由原來的23個增加到54個,增強了裝置的可近性,為進行深入物理實驗、輔助加熱及電流驅動試驗奠定了基礎。在實驗中取得了等離子體電流315千安,等離子體放電持續時間4秒的實驗參數,不僅創造了國內核聚變裝置物理實驗的最高紀錄,而且達到了國際上同類型、同規模裝置的先進水平,已取得400多項研究成果。

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中國環流器二號A裝置(HL-2A)

    在中國環流器一號研究取得重大進展的同時,核工業西南物理研究院開始著手我國第一個帶有偏濾器的大型托卡馬克裝置——中國環流器二號A裝置的立項工作。就在此時,我國一位核聚變界知名專家得知,德國有意將1990年8月停止使用的軸對稱偏濾器實驗裝置(ASDEX),轉讓給有研究實力的國家。而該裝置與中國環流器二號A裝置的磁體和真空室的尺寸相當,可以加以利用改造。將科研裝置轉讓給有需求的國家繼續使用,是國際上許多國家普遍開展的國際科技合作的重要內容,它的優點是可以節省研究經費,加快研究速度,縮短周期,推動更多的國家開展研究。

    核工業西南物理研究院與德國方面進行了多次洽談,談判的核心是中國有沒有能力讓這套裝置在中國發揮作用。最終,中國的實力取得了德方的信任,戰勝了其它競爭對手,我國最后一個提出申請,卻一舉贏得了勝利。1995年7月,中德雙方達成協議,德方將ASDEX裝置主機部件贈送給核工業西南物理研究院。

    1995年8月,核工業西南物理研究院的技術小分隊來到德國慕尼黑郊區小鎮——伽興,經過幾個月的努力,這臺由上萬個結構復雜、裝配堅固的部件組成的ASDEX裝置主機一件件拆卸分解開,又有條不紊地將這臺原本高約10米、重約500噸的大型設備裝箱運送回國內。1999年4月,中國環流器二號A裝置工程正式開工,其間攻克了安裝工作中的眾多問題,僅用了兩年的時間就高質量地完成了中國環流器二號A主機裝置安裝工作。

    中國環流器二號A裝置的中央控制系統制,包括反饋系統、裝置控制系統和數據獲取系統,它必須滿足先進性、安全性、共享性、靈活性、自動化程度高等多方面的高技術要求。為此,科研人員運用高速、高精度的控制軟件,實現了對等離子體電流、位移、等離子體截面、MHD擾動、密度等的精確控制,保證了中國環流器二號A裝置放電的等離子體參數的精確性。環流器二號A裝置上進行偏濾器位形放電,需要從多方面滿足其特殊的高技術要求。磁場電源系統方面其總計脈沖容量需要達到近30萬千伏,電源幾乎全是高壓強電源,輸出電流應達到45千安。為此,核西物院成功地設計研制出了能夠約束、加熱、平衡等離子體以及進行等離子體位移控制的八套不同作用和特點的磁場電源。

    核工業西南物理研究院還用一年多的時間,建成了當今我國最大單機裝機容量脈沖發電機組,并成功實現三套脈沖發電機組異步再加速,同步運行,同時為裝置供電;研制了三套脈沖發電機計算機自動化控制保護與監測系統;研制了以微機及單片機為核心的兩套80兆伏安發電機組的勵磁快速數字控制系統;對大型高速脈沖發電機組進行了現場軸系精細動平衡測試調整。為進一步提高供電能力,該室正在進行兩臺80兆伏安發電機組的雙饋超同步變頻調速。采用了最先進的數控技術,提高了供電系統的可靠性與靈活性。

    2002年12月,中國環流器2號A裝置,在成都核工業西南物理研究院建成并投入運行。2007年5月,核工業西南物理研究院的核聚變裝置——中國環流器二號A在進行加熱實驗中,成功使其等離子體溫度達到5500萬℃,等離子體電流達到433千安,朝向上億℃的核聚變點火溫度又前進了一步。

    隨著“中國環流器二號A”裝置在高溫參數下運行,我國科學家將開展一系列物理實驗研究,開展新型偏濾器、超導磁體等關鍵工程技術項目預研,進行工程試驗堆設計與材料研究及其關鍵部件預研,為2015年前后設計建造氘氚燃燒試驗裝置( HL-3)提供技術和物理基礎。

[轉載]中國“人造太陽”(上)
中國環流器2號A裝置

[轉載]中國“人造太陽”(上)

中國環流器2號A裝置控制大廳

[轉載]中國“人造太陽”(上)中國環流器2號A裝置兆瓦級中性束注入系統 

[轉載]中國“人造太陽”(上)中國環流器2號A裝置所使用的——我國最大單機裝機容量脈沖發電機組

[轉載]中國“人造太陽”(上)中國環流器2號A裝置控制系統

[轉載]中國“人造太陽”(上)

中國環流器2號A裝置中央控制大廳,大屏幕中顯示的是環形真空室內部,高溫等離子體運行情況。 

[轉載]中國“人造太陽”(上)中國環流器2號A裝置中央控制室

[轉載]中國“人造太陽”(上)

法國Tore Supra托卡馬克裝置,中間為環形真空室

[轉載]中國“人造太陽”(上)1988年拍攝的法國Tore Supra托卡馬克裝置環形真空室內部安裝照片

[轉載]中國“人造太陽”(上)2002年拍攝的法國Tore Supra托卡馬克裝置環形真空室內部照片

[轉載]中國“人造太陽”(上)

2002年拍攝的法國Tore Supra托卡馬克裝置環形真空室內部照片

[轉載]中國“人造太陽”(上)

2002年拍攝的法國Tore Supra托卡馬克裝置環形真空室內部照片

[轉載]中國“人造太陽”(上)

法國Tore Supra托卡馬克裝置環形真空室內部高溫等離子體運行錄像

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法國Tore Supra托卡馬克裝置環形真空室內部高溫等離子體運行錄像

 

 

視頻:熱核聚變反應

 

 

 

 

 

 


中國“人造太陽”

——我國可控核聚變裝置發展概況(上)


工程總投資:—
工程期限:1958年——2050年

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位于四川省成都市雙流縣白家鎮,核工業西南物理研究院聚變研究試驗基地的“中國環流器2號A裝置”

 

 

 

  2006年9月28日,中國耗時6年、耗資3億元人民幣自主設計制造的新一代托卡馬克磁約束核聚變裝置“EAST”首次成功完成放電實驗,獲得電流200千安、時間接近3秒的高溫等離子體放電;使EAST成為世界上第一個建成并真正運行的“全超導非圓截面托卡馬克”核聚變實驗裝置。這是中國可控核聚變研究的里程碑式突破。

 

    在古希臘神話中,普羅米修斯從太陽神阿波羅處盜下的天火,照亮了人類的黑夜。在人類現代科技中,可控核聚變技術將照亮人類能源的未來之路,由于可控核聚變反應堆產生能量的方式和太陽類似,因此它也被俗稱為“人造太陽”。

 

    太陽是熱核聚變反應的典型代表,1938年,美國科學家貝特(H.Bethe)和德國科學家魏茨澤克(C.F.v.Weizsacker)推測太陽能源可能來自它的內部氫核聚變成氦核的熱核反應,這甚至早于核裂變模型的提出。太陽的核心溫度高達1500萬攝氏度,表面有6000度,壓力相當于2500億個大氣壓。核心區的氣體被極度壓縮至水密度的150倍。在這里每時每刻都發生著熱核聚變,太陽每秒鐘把七億噸的氫變為氦,在這過程中失去400多萬噸的質量,這種聚變反應已經持續了幾十億年,它的輻射能量給地球帶來無限生機。

 

世界能源危機

    自人類進入工業化以來,世界能源消耗迅速增長。有數據顯示,自1973年以來,人類已經開采了5500億桶石油(約合800億噸),按照現在的開采速度,地球上已探明的1770億噸石油儲量僅夠開采50年,已探明的173萬億立方米天然氣僅夠開采63年;已探明的9827億噸煤炭還可以用300年到400年。核電站發電需要濃縮鈾,世界上已探明的鈾儲量約490萬噸,釷儲量約275萬噸,全球441座核電站目每年需要消耗6萬多噸濃縮鈾,地球上的鈾儲量僅夠使用100年左右。世界各國水能開發也已近飽和,而風能、太陽能尚無法滿足人類龐大的需求。

    隨著石油價格上漲,能源危機再次被提起,各國也加快了新能源研發,核聚變能就是重點之一。與傳統的裂變式核電站相比,核聚變發電具有明顯的優勢。核聚變所用的重要核燃料是氘,理論上,只需1千克氘和10千克鋰(通過鋰可得到氘)就可以保證一座百萬千瓦聚變核電站運轉一天,而傳統核電站和火力發電站至少需要100千克鈾或1萬噸煤。制取1千克濃縮鈾的費用是1.2萬美元,而制取1千克氘的費用只有300美元。一座100萬千瓦的核聚變電站,每年耗氘量只需304千克;而一座百萬千瓦裂變式核電站,需要30-40噸核燃料。

    氘的發熱量相當于同等煤的2000萬倍,是海水中大量存在的元素。據測算,海水中大約每600個氫原子中就有一個氘原子,每1公升海水中含有0.03克的氘,通過核聚變反應產生的能量,相當于燃燒300公升的汽油。就是說,“1升海水約等于300升汽油”。地球上的海水總量約為138億億立方米,其中氘的儲量約40萬億噸,足夠人類使用百億年。鋰是核聚變實現純氘反應的過渡性輔助“燃料”,地球上的鋰儲量有2000多億噸,海水中的氘再加上鋰至少夠我們地球用上千億年。氚雖然在自然界比氘少得多,但可從核反應中制取,也可用于熱核反應。科學家們正在以海水中的氘為主要原料,進行核聚變反應試驗,以期建立可以投入商業運營的熱核聚變反應堆,徹底解決人類未來的能源問題。

  更為可貴的是核聚變反應是清潔能源,中幾乎不存在放射性污染,核裂變的原料本身帶有放射性,而核聚變反應過程中,在任何時刻都只有一丁點的氘在聚變,無需擔憂失控的危險,而且也不會產生放射性的物質。即使像切爾諾貝利核電站那樣發生損壞,核聚變反應堆也會自動立即中止反應,因此受控核聚變產生的能量名符其實是一種無限、清潔、成本低廉和安全可靠的新能源。在這一系列的動力下,核聚變的研究已經持續了半個多世紀。

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核聚變發電原理

    核聚變反應堆的原理很簡單,只不過對于人類當前的技術水準,實現起來具有相當大的難度。

    物質由分子構成,分子由原子構成,原子中的原子核又由質子和中子構成,原子核外包覆與質子數量相等的電子。質子帶正電,中子不帶電。電子受原子核中正電的吸引,在"軌道"上圍繞原子核旋轉。不同元素的電子、質子數量也不同,如氫和氫同位素只有1個質子和1個電子,鈾是天然元素中最重的原子,有92個質子和92個電子。

    核聚變是指由質量輕的原子(主要是指氫的同位素氘和氚)在超高溫條件下,發生原子核互相聚合作用,生成較重的原子核(氦),并釋放出巨大的能量。1千克氘全部聚變釋放的能量相當11000噸煤炭。其實,利用輕核聚變原理,人類早已實現了氘氚核聚變———氫彈爆炸,但氫彈是不可控制的爆炸性核聚變,瞬間能量釋放只能給人類帶來災難。如果能讓核聚變反應按照人們的需要,長期持續釋放,才能使核聚變發電,實現核聚變能的和平利用。

 

    如果要實現核聚變發電,那么在核聚變反應堆中,第一步需要將作為反應體的氘-氚混合氣體加熱到等離子態,也就是溫度足夠高到使得電子能脫離原子核的束縛,讓原子核能自由運動,這時才可能使裸露的原子核發生直接接觸,這就需要達到大約10萬攝氏度的高溫。

 

    第二步,由于所有原子核都帶正電,按照“同性相斥”原理,兩個原子核要聚到一起,必須克服強大的靜電斥力。兩個原子核之間靠得越近,靜電產生的斥力就越大,只有當它們之間互相接近的距離達到大約萬億分之三毫米時,核力(強作用力)才會伸出強有力的手,把它們拉到一起,從而放出巨大的能量。

 

    質量輕的原子核間靜電斥力最小,也最容易發生聚變反應,所以核聚變物質一般選擇氫的同位素氘和氚。氫是宇宙中最輕的元素,在自然界中存在的同位素有: 氕、氘 (重氫)、氚 (超重氫)。在氫的同位素中,氘和氚之間的聚變最容易,氘和氘之間的聚變就困難些,氕和氕之間的聚變就更困難了。因此人們在考慮聚變時,先考慮氘、氚之間的聚變,后考慮氘、氘之間的聚變。重核元素如鐵原子也能發生聚變反應,釋放的能量也更多;但是以人類目前的科技水平,尚不足滿足其聚變條件。

 

    為了克服帶正電子原子核之間的斥力,原子核需要以極快的速度運行,要使原子核達到這種運行狀態,就需要繼續加溫,直至上億攝氏度,使得布朗運動達到一個瘋狂的水平,溫度越高,原子核運動越快。以至于它們沒有時間相互躲避。然后就簡單了,氚的原子核和氘的原子核以極大的速度,赤裸裸地發生碰撞,結合成1個氦原子核,并放出1個中子和17.6兆電子伏特能量。

 

    反應堆經過一段時間運行,內部反應體已經不需要外來能源的加熱,核聚變的溫度足夠使得原子核繼續發生聚變。這個過程只要將氦原子核和中子及時排除出反應堆,并及時將新的氚和氘的混合氣輸入到反應堆內,核聚變就能持續下去;核聚變產生的能量一小部分留在反應體內,維持鏈式反應,剩余大部分的能量可以通過熱交換裝置輸出到反應堆外,驅動汽輪機發電。這就和傳統核電站類似了。

 

    核聚變消耗的燃料是世界上十分常見的元素——氘(也就是重氫)。氘在海水中的含量還是比較高的,只需要通過精餾法取得重水,然后再電解重水就能得到氘。新的問題出現了,僅僅有氘還是不夠的,盡管氘-氘反應也是氫核聚變的主要形式,但我們人類現有條件下,根本無法控制氘-氘反應,它太猛烈了,所需要的溫度要高得多,除了在實驗室條件下做一次性的實驗外,很難讓它鏈式反應下去——那是氫彈一樣的威力。還好,人們發現了氘-氚反應的烈度要小很多,它的反應速度僅僅是氘-氘反應的100分之一,而點火溫度反倒低得多,很適合人類現有條件下的利用。

 

    而氚不同于氘,氚是地球上最稀有的元素,由于氚的半衰期只有12.26年,所以在地球誕生之初的氚早已衰變地無影無蹤了。現在人類的氚都是人工制造而非天然提取的,人們通常用重水反應堆在發電之余人工制造少量的氚—— 它是地球上最貴的東西之一,一克氚價值超過30萬美元,僅在美國保存有30公斤左右的氚。這么貴的原料,用作核聚變發電顯然是無法接受的,幸好上帝給人類又提供了一種好東西——鋰。鋰元素也是世界上最豐富的資源,有2000多億噸。一方面海水中就包含足夠的氯化鋰,分離出來即可。另一方面,中國是世界鋰資源最豐富的國家,碳酸鋰礦也不是稀有資源,更容易獲得。鋰的2種同位素——鋰-6和鋰-7,在被中子轟擊之后,就會裂變,他們的產物都是氚和氦,目前為止人類在重水反應堆中制造氚,用的就是將鋰靶件植入反應堆的方法。

    在聚變反應堆內,氚和氘反應后,除了形成一個氦原子核之外,還有一個多余的中子,并且能量很高。我們只需要在核聚變的反應體之內保持一定比例的鋰原子核濃度,那么核聚變產生的中子就會轟擊鋰核,促使鋰核裂變,產生一個新的氚,這個氚則繼續參與氚-氘反應,繼而產生新的中子,鏈式反應形成了。所以,理論上我們只需要給反應體提供兩種原料——氘和鋰,就能實現氘-氚反應,并且維持它的進行。

    看起來很簡單是吧,只是還有一個問題,能夠承載上億攝氏度超高溫反應體的核反應堆用什么材料來制造呢?要知道,太陽表面的溫度也才只有6000萬度左右。迄今為止,人類還沒有造出任何能經受1萬攝氏度高溫的材料,更不要說上億攝氏度了。以上這些因素就是為什么一槌子買賣的氫彈已經爆炸了50年后,人類還是沒能有效地從核聚變中獲取能量的重要原因。

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托卡馬克裝置

    為了解決核聚變反應堆的制造問題。早在60年前,科學家們提出了兩種約束高溫反應體進行核聚變的理論,一種是激光慣性約束。這一方法是把幾毫克的氘和氚的混合氣體裝入直徑約幾毫米的小球內,然后從外面均勻射入高能激光束或粒子束,球囊內的氘-氚反應氣體受力向內擠壓,壓力升高,溫度也急劇升高,當溫度達到核反應需要的溫度時,球內氣體發生核聚變反應,產生大量熱能。這樣的爆炸每秒鐘持續不斷地發生三四次,釋放出的熱量傳導出來就能發電,功率可達到百萬千瓦以上。這一理論的奠基人之一是我國著名科學家王淦昌院士。

    另一種就是磁力約束,如核聚變反應的高溫條件下,等離子體微粒的運行難以捉摸。而實現可控制的核聚變,就必須約束這些“亂跑”的等離子體。那么,怎樣在高溫下約束等離子體的運行?

  20世紀40年代末,蘇聯科學家伊戈爾·塔姆和安德烈·薩哈羅夫(蘇聯氫彈之父)提出了“磁約束”概念,即通過強大的磁場形成一個封閉的環繞型磁力線,讓等離子體沿磁力線運行。等離子體具有的一個性質是,磁場不可穿過其內部,只可以沿著等離子體的邊沿繞行,這樣就可以使用磁場將等離子體約束起來,利用運動電荷在磁場中作圓周運動的規律,使核聚變物質與容器隔離。

    磁籠線圈通電后會產生巨大磁場,將等離子體攬在環形真空室內做高速螺旋運動,就好像鏈球運動員一樣,雖然球在圍著身體高速旋轉,控制球的繩子卻一直抓在手里,它可以把炙熱的等離子體托舉在空中。根據這一原理,蘇聯庫爾恰托夫原子能研究所的阿奇莫維奇不斷進行研究和改進,于1954年制造了世界第一個“環形磁約束容器”裝置,他們將這一形如面包圈的環形容器命名為托卡馬克(tokamak)。它的名字 Tokamak 來源于環形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、線圈(kotushka),中文大意是環形磁籠真空放電器,也有個很貼切但是沒有推廣的中文名 “環流器”。

 

    從50年代開始聚變研究以來,世界各國發展了很多類型的磁約束聚變裝置,有箍縮、仿星器、多極場、托卡馬克等形式,但參數都很低。直到1968年8月,在蘇聯召開國際受控核聚變研討會上,阿齊莫維齊宣布蘇聯在T-3托卡馬克裝置上實現了1000萬度的等離子體放電,并實現能量輸出,這是受控核聚變研究的重大突破,在國際上掀起了一股托卡馬克的熱潮,各國相繼建造或改建了一批大型托卡馬克裝置。其中比較著名的有美國普林斯頓大學由仿星器-C改建成的ST Tokamak,美國橡樹嶺國家實驗室的奧爾馬克(Ormark),法國馮克奈-奧-羅茲研究所的TFR Tokamak,英國卡拉姆實驗室的克利奧(Cleo),西德馬克斯-普朗克研究所的 Pulsator Tokamak等。除“仿星器”外,其他裝置逐步退出科研的平臺。利用托卡馬克裝置進行的磁約束核聚變研究和利用高能激光進行的慣性約束核聚變研究,成為世界可控核聚變研究的兩種主要途徑。

 

    半個世紀以來,在30多個國家建造的大大小小上百個實驗裝置上,每一次放電時間的延長,人們都為之興奮;每一次溫度的提高,人們都為之歡呼;因為這看似小小的進步,都意味著我們離聚變能的應用更近了一步。為了達到聚變所要求的條件,托卡馬克已經變為一個高度復雜的裝置,十八般武藝全用上了,其中有超大電流、超強磁場、超高溫、超低溫等極限環境,對工藝和材料也提出了極高的要求,從堆芯上億度的高溫到線圈中零下269度的低溫,就可見一斑。由于難度過高,世界各國不得不攜手合作,因此可控核聚變已經成為世界最開放的高技術合作領域。


中國早期可控核聚變研究
    我國核聚變能研究開始于上世紀50年代末,盡管經歷了長時間非常困難的環境,但始終能堅持穩定、逐步的發展,建成了兩個在發展中國家最大的、理工結合的大型現代化專業研究所,即中國核工業集團公司所屬的西南物理研究院(SWIP)及中國科學院所屬的合肥等離子體物理研究所(ASIPP)。為了培養專業人才,還在中國科技大學、大連理工大學、華中理工大學、清華大學等高等院校中建立了核聚變及等離子體物理專業或研究室。

 

    我國核聚變研究起步時,就以在我國實現受控熱核聚變能為主要目標。從上世紀70年代開始,集中選擇了托卡馬克裝置為主要研究途徑,先后建成并運行了小型CT-6(中科院物理所)、KT-5(中國科技大學)、HT-6B(合肥等離子所)、HL-1(西南物理研究院)、HT-6M(合肥等離子所)及中型HL-1M(西南物理研究院)等幾十裝置。2002年,西南物理研究院建成的環流器2號A裝置(HL-2A),進入世界少數幾個中型托克馬克之列。在這些裝置的成功研制過程中,組建并鍛煉了一批聚變工程隊伍,開展了一系列十分有意義的研究工作。

 

    中國原子能科學研究院創建于1950年,是新中國第一個核科研機構,吳有訓、錢三強、趙忠堯、王淦昌、彭桓武、于敏、鄧稼先等中國核科技事業的先驅者們,在這里艱苦拓荒,為中國核科技事業的發展打下了初步的基礎,1958年,該所建成我國第一座實驗性重水反應堆和回旋加速器,現有工作人員3000余人。1958年,中國科學院原子能研究所二部(現原子能科學研究院)開始磁約束聚變的研究。1964年12月,王淦昌獨立提出激光驅動核聚變的建議。在他倡導下,我國激光慣性約束核聚變研究開始起步。在他直接領導下,先后開展強流電子束慣性約束核聚變和氟化氪激光慣性約束核聚變的基礎性研究工作。1966年“文革”以前,二機部和中科院的領導協商,確定科學院也開展受控核聚變的研究工作,由二機部主攻磁鏡,中科院開展箍縮類裝置研究。

[轉載]中國“人造太陽”(上)北京中關村科技園區創始人——陳春先(右),中國最早的核聚變研究專家和他領銜研制的CT-6裝置。

中國第一臺托卡馬克裝置(CT-6)

    中國科學院物理研究所前身是成立于1928年的中央研究院物理研究所和成立于1929年的北平研究院物理研究所。1950年在兩所合并的基礎上成立了中國科學院應用物理研究所,1958年更名為物理研究所。至今,已有50余位院士先后在物理所工作過,包括吳有訓、趙忠堯、嚴濟慈、吳健雄、錢三強等著名科學家。從1972年起,中科院物理所研究員陳春先和中科院電工研究所嚴陸光等人組成課題組,開始研制我國第一臺鐵芯變壓器托卡馬克裝置——北京托卡馬克6號(CT-6),并于1974年正式建成,引起國際物理學界的高度重視。該裝置于1974年開始運行,1975年得到平衡穩定等離子體環。其參數為大環半徑R=45厘米;小半徑a=10厘米;環向磁場B=1.3KG;等離子體電流Ip≤35安培。利用該裝置,進行了平衡不穩定邊界的觀測以及微波預電離、清洗放電等實驗工作。北京托卡馬克6號的研制成功不僅是我國當年最好的科技成果,也打破西方發達國家對核聚變的壟斷。該成果獲1978年全國科技大會一等獎。1978年CT-6裝置升級為CT-6B,后于2000年關閉。

 

核工業西南物理研究院

    核工業西南物理研究院建于1965年,隸屬中國核工業集團公司,是我國最早從事核聚變能源開發的專業研究院。1965年8月,因中蘇關系日趨緊張,國務院國防工業辦公室和二機部(核工業部)共同決定:將1958年建于東北黑龍江的原子核物理研究所(503所),遷移至四川樂山市郊肖壩的大山里重建。為戰備需要,他們在建設過程中,先將整座大山挖開,在洞里建造‘工號’,最后再用土掩埋起來,讓實驗室和山連為一體。這樣,偵察機從上至下看,便是一座山。而對于樓房,則在樓頂加水做成水池,讓敵機俯瞰誤以為是稻田。對外他們則自稱是“化工機械廠”。為了讓研究所更隱蔽,要求公路不能超過8米寬,否則很容易被敵國衛星、飛機偵察出此地有大型研究機構。即便是當地市長都不知道他們是做什么的。直到1977年,中央批準可以有限制對外開放后,當地政府才第一次知道這座“化工機械廠”原來是研究核聚變的專門機構。

 

    核聚變研究包括激光慣性約束核聚變和托卡馬克裝置兩條道路。1954年,世界第一個托卡馬克裝置在原蘇聯庫爾恰托夫原子能研究所建成。1968年,前蘇聯庫爾恰托夫原子能研究所的科學家在T3托卡馬克裝置上取得新突破,在1000萬度高溫以上獲得穩定環形高溫等離子體,在全球核聚變界引起轟動,西方各國紛紛建造托卡馬克,70年代中期之后,各國建造大型托卡馬克裝置(JET , JT60, TFTR)的項目紛紛上馬。

    1968年,核工業西南物理研究院老院長邢洪業在北京一個外語書店里看到關于俄羅斯專家運行托卡馬克的實驗裝置,深受鼓舞。他第一個提出,我國應該走托卡馬克實驗裝置路徑進行核聚變研究。當時很多人反對,也有人贊同。邢洪業頂住壓力,在我國12年規劃后面寫了一個‘7年躍進’規劃的附件,建議采用托卡馬克實驗裝置。”經過40多年的發展,該所共建成了22個受控核聚變等離子體實驗研究裝置,開展了一系列物理實驗。九十年代后,核工業西南物理研究院又在成都市近郊雙流縣白家鎮新建了聚變研究實驗基地,中國環流器二號A裝置就建在此地。

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中國環流器一號(HL-1)

    1984年9月21日,核工業部西南物理研究所設計建造的受控熱核聚變研究實驗裝置——中國環流器一號(HL-1),在四川省樂山市郊順利啟動并通過驗收。西南物理研究院在環流器一號( HL-1)之前已經建造很多小尺寸的裝置,環流器一號是中國第一個中型“托卡馬克”裝置,大環半徑1.02米,由干式長脈沖變壓器、環向磁場線圈、內外垂直磁場線圈、內外真空室、超高真空機組和高真空機組,以及主機支架及其驅動機構等六大部件。這套裝置順利啟動后,產生了等離子體,取得了預期的調度數據。環流器一號的研制成功,標志著中國在受控熱核聚變科研領域的裝置建造和實驗手段有了新發展,為今后的物理試驗研究打下了良好的基礎。
 
    1994年10月,在中國環流器一號裝置的基礎上,該所建成了中國環流器新一號裝置(HL-1M),中國環流器一號經過重新改建,各項參數均有重大提高。真空室結構由原來的雙層改成了單層厚壁真空室;在無導體殼的情況下,采用了先進的托卡馬克等離子體平衡反饋手段;診斷實驗窗口由原來的23個增加到54個,增強了裝置的可近性,為進行深入物理實驗、輔助加熱及電流驅動試驗奠定了基礎。在實驗中取得了等離子體電流315千安,等離子體放電持續時間4秒的實驗參數,不僅創造了國內核聚變裝置物理實驗的最高紀錄,而且達到了國際上同類型、同規模裝置的先進水平,已取得400多項研究成果。

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中國環流器二號A裝置(HL-2A)

    在中國環流器一號研究取得重大進展的同時,核工業西南物理研究院開始著手我國第一個帶有偏濾器的大型托卡馬克裝置——中國環流器二號A裝置的立項工作。就在此時,我國一位核聚變界知名專家得知,德國有意將1990年8月停止使用的軸對稱偏濾器實驗裝置(ASDEX),轉讓給有研究實力的國家。而該裝置與中國環流器二號A裝置的磁體和真空室的尺寸相當,可以加以利用改造。將科研裝置轉讓給有需求的國家繼續使用,是國際上許多國家普遍開展的國際科技合作的重要內容,它的優點是可以節省研究經費,加快研究速度,縮短周期,推動更多的國家開展研究。

    核工業西南物理研究院與德國方面進行了多次洽談,談判的核心是中國有沒有能力讓這套裝置在中國發揮作用。最終,中國的實力取得了德方的信任,戰勝了其它競爭對手,我國最后一個提出申請,卻一舉贏得了勝利。1995年7月,中德雙方達成協議,德方將ASDEX裝置主機部件贈送給核工業西南物理研究院。

    1995年8月,核工業西南物理研究院的技術小分隊來到德國慕尼黑郊區小鎮——伽興,經過幾個月的努力,這臺由上萬個結構復雜、裝配堅固的部件組成的ASDEX裝置主機一件件拆卸分解開,又有條不紊地將這臺原本高約10米、重約500噸的大型設備裝箱運送回國內。1999年4月,中國環流器二號A裝置工程正式開工,其間攻克了安裝工作中的眾多問題,僅用了兩年的時間就高質量地完成了中國環流器二號A主機裝置安裝工作。

    中國環流器二號A裝置的中央控制系統制,包括反饋系統、裝置控制系統和數據獲取系統,它必須滿足先進性、安全性、共享性、靈活性、自動化程度高等多方面的高技術要求。為此,科研人員運用高速、高精度的控制軟件,實現了對等離子體電流、位移、等離子體截面、MHD擾動、密度等的精確控制,保證了中國環流器二號A裝置放電的等離子體參數的精確性。環流器二號A裝置上進行偏濾器位形放電,需要從多方面滿足其特殊的高技術要求。磁場電源系統方面其總計脈沖容量需要達到近30萬千伏,電源幾乎全是高壓強電源,輸出電流應達到45千安。為此,核西物院成功地設計研制出了能夠約束、加熱、平衡等離子體以及進行等離子體位移控制的八套不同作用和特點的磁場電源。

    核工業西南物理研究院還用一年多的時間,建成了當今我國最大單機裝機容量脈沖發電機組,并成功實現三套脈沖發電機組異步再加速,同步運行,同時為裝置供電;研制了三套脈沖發電機計算機自動化控制保護與監測系統;研制了以微機及單片機為核心的兩套80兆伏安發電機組的勵磁快速數字控制系統;對大型高速脈沖發電機組進行了現場軸系精細動平衡測試調整。為進一步提高供電能力,該室正在進行兩臺80兆伏安發電機組的雙饋超同步變頻調速。采用了最先進的數控技術,提高了供電系統的可靠性與靈活性。

    2002年12月,中國環流器2號A裝置,在成都核工業西南物理研究院建成并投入運行。2007年5月,核工業西南物理研究院的核聚變裝置——中國環流器二號A在進行加熱實驗中,成功使其等離子體溫度達到5500萬℃,等離子體電流達到433千安,朝向上億℃的核聚變點火溫度又前進了一步。

    隨著“中國環流器二號A”裝置在高溫參數下運行,我國科學家將開展一系列物理實驗研究,開展新型偏濾器、超導磁體等關鍵工程技術項目預研,進行工程試驗堆設計與材料研究及其關鍵部件預研,為2015年前后設計建造氘氚燃燒試驗裝置( HL-3)提供技術和物理基礎。

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中國環流器2號A裝置

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中國環流器2號A裝置控制大廳

[轉載]中國“人造太陽”(上)中國環流器2號A裝置兆瓦級中性束注入系統 

[轉載]中國“人造太陽”(上)中國環流器2號A裝置所使用的——我國最大單機裝機容量脈沖發電機組

[轉載]中國“人造太陽”(上)中國環流器2號A裝置控制系統

[轉載]中國“人造太陽”(上)

中國環流器2號A裝置中央控制大廳,大屏幕中顯示的是環形真空室內部,高溫等離子體運行情況。 

[轉載]中國“人造太陽”(上)中國環流器2號A裝置中央控制室

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法國Tore Supra托卡馬克裝置,中間為環形真空室

[轉載]中國“人造太陽”(上)1988年拍攝的法國Tore Supra托卡馬克裝置環形真空室內部安裝照片

[轉載]中國“人造太陽”(上)2002年拍攝的法國Tore Supra托卡馬克裝置環形真空室內部照片

[轉載]中國“人造太陽”(上)

2002年拍攝的法國Tore Supra托卡馬克裝置環形真空室內部照片

[轉載]中國“人造太陽”(上)

2002年拍攝的法國Tore Supra托卡馬克裝置環形真空室內部照片

[轉載]中國“人造太陽”(上)

法國Tore Supra托卡馬克裝置環形真空室內部高溫等離子體運行錄像

[轉載]中國“人造太陽”(上)

法國Tore Supra托卡馬克裝置環形真空室內部高溫等離子體運行錄像

 

 

視頻:熱核聚變反應

 

 

 

 

 

 

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