来源:央视网 发布时间:2016/12/11 10:02:21
选择字号:
突破核聚变技术:人造太阳核心部件首获国际认证

 

央视网消息:聚变核能是一种全新的能源形式,未来它有望彻底解决人类的能源问题。为此,包括中国在内的7方三十多国开启了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。近日,由我国自主研发制造的国际热核聚变核心部件在国际上率先通过权威机构认证,这是我国对国际热核聚变项目的重大贡献。

上图是我国科研人员通过12年时间研制成功的全新材料。不久,它就将送往欧洲参与到国际热核聚变实验堆的工程建设当中。这个工程还有一个更加形象的名字:叫做“人造太阳”。而这块材料,将构成这个人造太阳里最为核心的结构。

国际热核聚变实验堆计划,英文简称ITER,是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一。目的就是实现可以控制的核聚变反应,计划在2019年先在法国建设一个实验堆。由于热核聚变实验堆产生能量的原理和太阳发光发热的机理相似,因此也有了“人造太阳”的美名,而要构建起“人造太阳”的核心,这就需要特殊的材料筑起一道“防火墙”,来抵御装置内部上亿度的高温环境。

在整个国际热核聚变实验堆计划中,有多个国家在研制这样的高温核心材料,而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,因而被成为反应堆的“第一壁”。ITER的设计方案要求,第一壁要承受每平米4.7兆瓦的热量,这几乎可以瞬间将一公斤的钢铁融化。

核工业西南物理研究院聚变堆与材料研究室主任 谌继明:实际上ITER的专家,心里头也没底,到底这个能不能耐得住这个4.7兆瓦每平方米的热度。通过我们自主研发的部件,我们成了世界上第一家通过高热负荷实验认证,也可以说我们率先拿到了生产许可证。所以这对ITER来说是个很大的贡献。

核工业西南物理研究院副院长 段旭如:第一壁是ITER的一个核心部件,中方掌握这些技术,对未来咱们自主建造自己的(热核)聚变堆,有很大的促进作用。

核聚变:人类未来能源问题的希望

核聚变是核能的一种重要形式之一,有人甚至说,如果掌握了核聚变技术,人类不再需要争夺能源而进行战争,对人类发展起到深远的影响。那这究竟是一种什么样的能源呢?

核能是通过核反应从原子核释放的能量,目前,我们常见的核电站,利用的就是这样的能量。只不过,目前核电站主要是把比较重的原子分裂成较轻的原子而释放能量,这个反应过程就被成为核裂变。而正处于研究阶段的核聚变,则正好相反。

核工业西南物理研究院副院长 段旭如:核聚变是较轻元素的原子聚合在一起,生成较重元素的原子,它同时要释放出能量。

其实这样的核反应离我们并不遥远,每天照耀地球的太阳,它的光和热就来自于自身内部缓慢持久的核聚变。因此,在人工控制下实现稳定的核聚变的设施,也就自然地被成为“人造太阳”。和普通能源相比,核聚变的优势明显,首先,燃料的来源非常丰富。

核工业西南物理研究院副院长 段旭如:核聚变的能源主要是氢的同位素,氘和氚的剧烈反应。一升海水里面的氘,如果它全部聚变反应的话,产生的能量相当于燃烧三百升汽油产生的能量。另一个方面,它的环境可接受性比较好,因为聚变反应,产生的产物是氦,氦本身不具有放射性。

能量巨大又安全环保,核聚变一直以来被人们视为解决未来能源问题的希望。早在1952年,人类就实现了人工核聚变,只不过使用的是这样的方式。

氢弹的巨大能量正是来自核材料剧烈的聚变反应,但这样的瞬间释放只能带来毁灭性的效果,如何让这样的能量在人的控制下缓慢有序地释放出来,这是在第一枚氢弹爆炸后的64年里人类一直在试图攻克的课题。

核工业西南物理研究院副院长 段旭如:在研究过程中发现还有很多挑战没有解决,靠一个国家的实力来攻克,现在还有难度。

正因如此,1985年,国际上开始倡议多国共同合作开展受控核聚变反应堆的研制工作,这就是后来的ITER项目。2006年,包括我国在内的7个国家和地区签订协议,国际热核聚变实验堆项目正式启动,这也是我国参与的规模最大的国际科学合作项目。专家表示,随着ITER项目的推进和各国自主的核聚变项目研究,人类有望在未来50年内,让这种能量巨大而又清洁安全的能源进入千家万户。

中国智慧让新材料承受“太阳”高温

我国从2006年开始正式参与到国际热核聚变实验堆的项目,在其中我国担负了10%的任务,而此次通过认证的反应堆核心材料,可以说是难度最高的技术突破之一,在整个项目中,中国的科技投入和中国科研人员的智慧,为项目的推进作出了重要的贡献。

2006年,我国正式加入国际热核聚变试验堆项目,接受了研制热核聚变反应堆核心部件的工作。反应堆中的聚变物质时刻释放着高强度的热辐射,如果这些材料性能不佳,要么就被高温瞬间融化,要么就会让反应堆这座锅炉熄灭。为此,研制人员想到了一种特殊的结构,把热量及时地传走。

这块看上去像三明治一样的材料,底下是不锈钢,中间是铜合金,上面则是特殊的高纯度金属铍。金属铍是放在反应堆内直接面对高温聚变材料的,如果它和铜合金的贴合不够紧密,就无法达到隔热防护的效果。国外专家试图用普通焊接的方法解决这个问题,但试验终告失败。而中国的科研人员,想到了全新的办法。

核工业西南物理研究院第一壁生产车间负责人杨波:把它放在一个真空的包装套里头,放在这个我们这个热等静压机器设备里头,然后灌注氩气,不断地给它进行加压和加温。材料之间就会在这种高温和高压的情况下进行结合。

杨波和同事们想到的这个办法,类似于把材料放到一个高压锅里,靠压力和温度把两个材料烧在一起。理论上行得通,但实际做起来,加多少压,用多高的温度,出来的材料才能完美无瑕,都需要一次次试验来验证。一次次的打击让研究团队沮丧失望,但没有任何人提出过放弃。

核工业西南物理研究院第一壁生产车间负责人杨波:我们没有绝望的时候,只是觉得它肯定有什么地方不对,过程控制好,我们相信绝对会成功。

三年的刻苦攻关,科研人员终于烧制出了完全合格的产品。在国外机构的测试中,这套工艺制造出来的材料,经历了7500次的高低温循环,甚至在高于考核标准的热量考验下都一次通过了测试。这样的成就,让杨波和同事们感受到了整个合作项目中的变化。

核工业西南物理研究院第一壁生产车间负责人杨波:以前我们跟别人交流的话,我们是想看别人到底有什么成功的一些经验。现在反过来,也有很多国外的同事向我们打听,你们是什么地方做的好。

核工业西南物理研究院聚变堆与材料研究室主任谌继明:在参加ITER之初,我们比国外落后20年,到2010年左右,我们追赶上了,我们和他们齐头并进了。到现在我们率先通过了国际认证,这事实证明,我们确实在某些方面已经开始领跑了。

神秘的圆环——中国环流器二号

在参与国际合作共同研制核聚变装置的同时,我国自主的核聚变研究也在加速推进,并且建成了一批具有国际一流水平的核聚变试验装置。我们的记者也对其中一台进行了探访,这座名叫中国环流器二A的实验装置已经在核聚变多项关键技术的试验上取得了国际瞩目的成果。

这个巨大的装置叫做中国环流器二号A托克马克装置,它就相当于是一个未来的核聚变反应堆的一个雏形,而它身上的很多技术都标志着中国的核聚变研究达到了世界领先的水平。

核聚变反应需要把核燃料加热到上亿度的高度,这个温度足以把地球上任何的材料瞬间汽化,那么用什么盛放这些材料就成了问题。科学家们想到用磁场把这些材料束缚起来,让它们乖乖地在一个环形的空间里飞行不和材料接触,因此,全新的反应堆芯结构就此诞生。

核工业西南物理所聚变科学所副所长 许敏:托克马克它的意思呢就是具有线圈和磁场的环形真空室,就简单说它就像一个那个轮胎型真空室。

因为还是一个试验装置,这台中国环流器2号A对内部温度的加热还只能达到5500万度,但这已经是太阳核心温度的几倍了。为了把这个人造小太阳点亮,工作人员想尽了一切办法。

核工业西南物理所聚变科学所副所长许敏:做法就是产生微波和电子回旋的波,然后通过传输线,最后注入到真空室里边去,等离子吸收这些微波以后,它的温度自然就会升上来。从这个原理上讲跟微波炉非常的像,但功率要大的多。这边注入进去总共是5个兆瓦,微波炉通常是千瓦。

正是有了这样强大的能力,中国环流器二A将我国核聚变试验装置能够实现的温度大幅提高,并在多个国际核聚变研究的前沿领域得到了大量开创性的成果,而它本身,也是中国参与国际核聚变合作的重要平台。

核工业西南物理所聚变科学所副所长许敏:有一些技术是我们原创,然后推出去的。有一些技术是我们通过跟国际合作学回来的。所以实际上是大家都共同在进步。从这个层面上讲,我们国内的核聚变的研究水平,也在慢慢地赶上甚至超过国际先进水平。

ITER:多国携手挑战世纪难题

1952年人类利用核聚变试爆了第一颗氢弹,但至今,和平利用核聚变依然是人类追求的遥远目标,预计核聚变的商业运营要到本世纪的中叶,也就是在人类试爆氢弹的100年后。可以说受控核聚变是人类的世纪难题,而国际热核聚变实验堆计划,也就是ITER计划,则是人类联手挑战这个世纪难题,走出的重要一步。

上图就是位于法国的国际热核聚变实验堆的工程施工现场,它的英文简称叫做ITER,是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一,由中国、美国、俄罗斯、欧盟、日本、韩国、印度7个国家和地区参与,建造周期约需10年,耗资超过百亿美元。ITER是一个能产生大规模核聚变的试验装置,按照计划,它将在2019年建成,2035年实现点火运行,成为未来商用核聚变反应堆设计的制造样板。

2003年1月,ITER计划谈判正式启动。2006年5月,经国务院批准,中国ITER谈判联合小组代表我国政府与参与国共同草签了ITER计划协定,这七方包括了全世界主要的核国家,覆盖的人口接近全球一半。每个国家承担整个工程中的一部分工作量,我国的贡献份额约占整个ITER研制工作的10%。

核工业西南物理研究院副院长 段旭如:这个10%实际上其中主要部分是实物贡献,也就是说ITER它是一个聚变实验堆,那堆有很多部件构成,那中方承担了其中部分部件的技术的研发到生产制造。最后在中国做好以后,运到现在的ITER的总部法国去。

按照设计要求,作为聚变能实验堆,ITER要把上亿度、由氘氚组成的高温等离子体约束在体积达837立方米的"磁笼"中,产生50万千瓦的聚变功率,持续时间达500秒。尽管50万千瓦热功率仅相当于一个小型热电站的水平,但这将是人类掌握并商业运用核聚变的关键一步。对我国来说,ITER也将成为促进我国自主核聚变反应堆开发的重要力量。

核工业西南物理研究院副院长 段旭如:通过参加ITER计划,我们要掌握未来聚变堆怎么去设计,对我们今后百分之百掌握这个技术和知识产权,对未来咱们自主建造自己的聚变堆有很大的这个促进作用。

 
特别声明:本文转载仅仅是出于传播信息的需要,并不意味着代表本网站观点或证实其内容的真实性;如其他媒体、网站或个人从本网站转载使用,须保留本网站注明的“来源”,并自负版权等法律责任;作者如果不希望被转载或者联系转载稿费等事宜,请与我们接洽。
 
 打印  发E-mail给: 
    
 
以下评论只代表网友个人观点,不代表科学网观点。 

目前已有0条评论
相关新闻 相关论文

图片新闻
鸟儿走了,水就净了 “忍冬”的金银花
日本首次公布全球变暖分析数据 为何捕食者拥有如此疯狂的面孔
>>更多
 
一周新闻排行 一周新闻评论排行
 
编辑部推荐博文
 
论坛推荐