界面新聞?dòng)浾?｜ 戴晶晶
中國(guó)“人造太陽(yáng)”又有新突破。
3月28日下午，中核集團(tuán)發(fā)布官方消息稱，新一代人造太陽(yáng)“中國(guó)環(huán)流三號(hào)”(HL-3)實(shí)驗(yàn)取得突破，國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)原子核溫度1.17億度、電子溫度1.6億度。
“我們的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了‘雙億度’，綜合參數(shù)也大幅躍升，標(biāo)志著我國(guó)的核聚變研究挺進(jìn)燃燒實(shí)驗(yàn)。”據(jù)央視新聞報(bào)道，中核集團(tuán)“中國(guó)環(huán)流三號(hào)”總設(shè)計(jì)師鐘武律稱。
上述消息宣布后，A股可控核聚變板塊拉升。截至當(dāng)日收盤(pán)，合鍛智能(603011.SH)、雪人股份(002639.SZ)漲停，弘訊科技(603015.SH)漲5.61%、國(guó)光電氣(688776.SH)漲3.65%，中國(guó)核建(601611.SH)漲2.38%。
“所謂進(jìn)入燃燒實(shí)驗(yàn)，就是達(dá)到了1億度的門檻。但目前不清楚HL-3是同時(shí)將電子和離子加熱至億度，還是單獨(dú)實(shí)現(xiàn)。”一位國(guó)內(nèi)聚變行業(yè)人士對(duì)界面新聞表示，如果是同一時(shí)刻達(dá)到億度，將是非常大的實(shí)驗(yàn)突破。
該人士對(duì)界面新聞表示，電子和離子溫度存在差異，加熱的方式也不同，國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有能同時(shí)將兩者加熱到億度以上的裝置。
核聚變是輕原子核結(jié)合成較重原子核并放出巨大能量的過(guò)程。由于聚變?cè)牧腺Y源相對(duì)豐富，且無(wú)污染排放，因此可控核聚變被一直認(rèn)為是人類解決能源問(wèn)題的重要出路，視為“終極能源”。
在各類核聚變技術(shù)路線中，托克馬克被譽(yù)為“人造太陽(yáng)”，其裝置的中央是一個(gè)環(huán)形的真空室，外面纏繞著線圈，像一個(gè)甜甜圈，在通電時(shí)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生巨大的螺旋形磁場(chǎng)，將其中的等離子體(Plasma)加熱到很高的溫度。
等離子體是指在高溫下，電子脫離原子核形成自由電子和離子的物質(zhì)狀態(tài)。
“中國(guó)環(huán)流三號(hào)”是中國(guó)規(guī)模最大、參數(shù)最高的先進(jìn)托卡馬克裝置，由中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院自主設(shè)計(jì)、建造，其線圈系統(tǒng)均采用銅導(dǎo)體水冷線圈繞制而成。
2022年10月，“中國(guó)環(huán)流三號(hào)”等離子體電流突破100萬(wàn)安培，并于2023年8月首次實(shí)現(xiàn)100萬(wàn)安培等離子體電流下的高約束模式運(yùn)行。
中核集團(tuán)表示，“中國(guó)環(huán)流三號(hào)”實(shí)驗(yàn)綜合參數(shù)聚變?nèi)朔e實(shí)現(xiàn)了大幅躍升。
聚變?nèi)朔e(等離子體溫度、密度和能量約束時(shí)間的乘積)是衡量聚變效果的參數(shù)。學(xué)術(shù)界認(rèn)為，該數(shù)值達(dá)到10的22次方時(shí)，聚變反應(yīng)輸出的功率才能大于等于為驅(qū)動(dòng)這一反應(yīng)而輸入的功率，達(dá)到點(diǎn)火條件(Q>1)。
由于地球上難以形成太陽(yáng)內(nèi)部的壓強(qiáng)，聚變裝置需要將等離子體溫度加熱至1億攝氏度以上，并維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間才可能觸發(fā)聚變反應(yīng)。
點(diǎn)火成功也意味著“燒”聚變?cè)稀盃t子”被點(diǎn)著，等離子體進(jìn)入自持燃燒狀態(tài)，即不需要外部額外的能量輸入，僅通過(guò)內(nèi)部加熱就能維持極高的溫度。
據(jù)上述國(guó)內(nèi)聚變行業(yè)人士介紹，中國(guó)位于安徽合肥的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變(EAST)實(shí)驗(yàn)裝置已多次實(shí)現(xiàn)超億度的等離子體運(yùn)行，但并非電子和原子核同時(shí)達(dá)到億度。
該裝置由中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院自主研制，于2006年9月28日建成，并首次等離子體放電成功，至今等離子體運(yùn)行次數(shù)超過(guò)15萬(wàn)次。
2021年5月，EAST成功實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運(yùn)行。當(dāng)年12月，該裝置將電子溫度近7000萬(wàn)攝氏度的長(zhǎng)脈沖高參數(shù)等離子體維持了1056秒。
該人士同時(shí)指出，位于英國(guó)的歐洲聯(lián)合環(huán)形裝置(JET)、日本和歐盟共同建設(shè)的大型核聚變實(shí)驗(yàn)裝置JT-60SA 等裝置已實(shí)現(xiàn)同時(shí)將電子和離子加熱至億度。
“中國(guó)環(huán)流三號(hào)”的突破，是可控核聚變走向應(yīng)用核心環(huán)節(jié)的體現(xiàn)，但并不意味著將很快實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)。
今年2月28日，全國(guó)政協(xié)委員、中核集團(tuán)聚變領(lǐng)域首席科學(xué)家段旭如在兩會(huì)代表委員見(jiàn)面會(huì)上表示，“中國(guó)環(huán)流三號(hào)”仍處于實(shí)驗(yàn)研究階段，目標(biāo)是驗(yàn)證聚變堆物理與工程相關(guān)技術(shù)的可行性，還不是直接發(fā)電。
段旭如指出，該裝置的核心任務(wù)是實(shí)現(xiàn)“聚變點(diǎn)火”，按照中國(guó)核能發(fā)展戰(zhàn)略，其應(yīng)用預(yù)計(jì)在本世紀(jì)中葉(約2050年前后)實(shí)現(xiàn)，預(yù)計(jì)2045年左右進(jìn)入示范階段，有望在2050年前后商業(yè)化發(fā)電。
不過(guò)，“中國(guó)環(huán)流三號(hào)”最新的實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)造了中國(guó)聚變研究多項(xiàng)新紀(jì)錄和成果。
“我們自主研發(fā)的加熱、控制與診斷等設(shè)備與系統(tǒng)首次投入運(yùn)行，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國(guó)際前列，創(chuàng)造了我國(guó)核聚變研究多項(xiàng)新紀(jì)錄。”鐘武律說(shuō)。
其中，自主研制的高功率微波回旋管成功投入運(yùn)行，最高注入功率達(dá)2.5MW，掌握了穩(wěn)定獲得電子內(nèi)部輸運(yùn)壘的控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電子溫度1.6億度。
此外，建成并投運(yùn)2套具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高功率中性束注入加熱系統(tǒng)，單條束線最大功率達(dá)7兆瓦，躋身國(guó)際第一梯隊(duì)。該系統(tǒng)是提升原子核溫度的核心設(shè)備。
核工業(yè)西南物理研究院也首次提出并實(shí)現(xiàn)了提高芯部能量約束的新方法，掌握了提升原子核溫度的運(yùn)行策略。根據(jù)芯部能量約束調(diào)控方法，成功抑制了制約原子核溫度提升的芯部磁流體不穩(wěn)定性，攻克了電流剖面及密度剖面控制等技術(shù)難題，在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)原子核溫度超過(guò)1億度的可重復(fù)放電。