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我国参加国际热核聚变实验堆计划(组图)慈善

发布时间:2016-09-28 16:42内容来源:新电力网 点击:

  霍裕平 院 士 ITER计划中国专家委员会首席科学家、郑州大学教授

  潘传红 研究员 中国核工业集团公司西南物理研究院院长

  李建刚 研究员 中国科学院等离子体物理研究所所长

  2006年 5月 24 日,国家科学技术部代表我国政府与其他六方一起,在比利时首都布鲁塞尔草签了《国际热核聚变实验堆(International Thermonuclear Experimental Reactor)联合实施协定》。这标志着ITER计划实质上进入了正式执行阶段,即将开始工程建设,也标志着我国实质上参加了ITER计划。

  (一)

  ITER计划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。它的建造大约需要10年,耗资50亿美元(1998年值)。合作承担ITER计划的7个成员是欧盟、中国、韩国、俄罗斯、日本、印度和美国,这七方包括了全世界主要的核国家和主要的亚洲国家,覆盖的人口接近全球一半。为建设ITER,各参与方专门协商组建了一个独立的国际组织,各国政府首脑在过去几年中都采取不同方式对参加ITER计划作出过正式表态。这些都是国际科技合作史上前所未有的,充分显示了各国政府和科技界对该计划的高度重视。

  ITER计划的实施结果将决定人类能否迅速地、大规模地使用聚变能,从而可能影响人类从根本上解决能源问题的进程。在全世界都对人类能源、环境、资源前景等问题予以高度关注的今天,各国坚持协商、合作的精神,搁置诸多的矛盾和利害冲突,最终达成了各方都能接受的协议,并开始合力建设世界上第一座聚变实验堆。

  我国是一个持续高速发展的发展中大国,能源问题日益突出,因而长期以来对有可能彻底解决能源问题的核聚变能研究作了力所能及的安排,对国际上有关ITER计划的讨论一直给予高度关注。2002年底,国务院授权国家科学技术部代表我国政府参加ITER计划国际协商,并于今年决定在协商完成后的草签协议上签字。这显示了我国作为一个发展中大国对我国和对人类未来负责任的态度,以及对打开国门积极参加国际科技合作的决心。

我国参加国际热核聚变实验堆计划(组图)

  

核聚变反应示意图

  (二)

  如果说重原子核在中子打击下分裂放出的“裂变能”是当今原子能电站及原子弹能量的来源,则两个轻原子核聚合反应放出“核聚变能”就是宇宙间所有恒星(包括太阳)释放光和热及氢弹的能源。人类已经能控制和利用核裂变能,但由于很难将两个带正电核的轻原子核靠近从而产生聚变反应,控制和利用核聚变能则需要历经长期的、非常艰苦的研发历程。在所有的核聚变反应中,氢的同位素——氘和氚的核聚变反应(即氢弹中的聚变反应)是相对比较易于实现的。

  氘氚核聚变反应也可以释放巨大能量。氘在海水中储量极为丰富,一公升海水里提取出的氘,在完全的聚变反应中可释放相当于燃烧300公升汽油的能量;氚可在反应堆中通过锂再生,而锂在地壳和海水中都大量存在。氘氚反应的产物没有放射性,中子对堆结构材料的活化也只产生少量较容易处理的短寿命放射性物质。聚变反应堆不产生污染环境的硫、氮氧化物,不释放温室效应气体。再考虑到聚变堆的固有安全性,可以说,聚变能是无污染、无长寿命放射性核废料、资源无限的理想能源。受控热核聚变能的大规模实现将从根本上解决人类社会的能源问题。

  考虑到氘和氚原子核能产生聚变反应的条件,若要求氘、氚混合气体中能产生大量核聚变反应,则气体温度必须达到一亿度以上。在这样高的温度下,气体原子中带负电的电子和带正电的原子核已完全脱开,各自独立运动。这种完全由自由的带电粒子构成的高温气体被称为“等离子体”。因此,实现“受控热核聚变”首先需要解决的问题是用什么方法及如何加热气体,使得等离子体温度能上升到百万度、千万度、上亿度。但是,超过万度以上的气体是不能用任何材料所构成的容器约束,使之不飞散的,因此必须寻求某种途径,防止高温等离子体逃逸或飞散。具有闭合磁力线的磁场(因为带电粒子只能沿磁力线运动)是一种最可能的选择。对不同设计出的“磁笼”中等离子体运动行为及防止逃逸的研究(即所谓稳定性研究),成为实现受控热核聚变的第二个难点。如果要使高温等离子体中核聚变反应能持续进行,上亿度的高温必须能长时间维持(不论靠聚变反应产生的部分能量,或外加部分能量)。或者可以说,等离子体的能量损失率必须比较小。提高磁笼约束等离子体能量的能力,这是论证实现磁约束核聚变的科学可行性的第三个主要内容。除了验证科学可行性外,建设一个连续运行的聚变反应堆还需要解决加料、排废、避免杂质、中子带出能量到包层、产氚及返送以及由于聚变反应产生大量带电氦原子核对等离子体的影响等一系列科学和工程上的难题。

  从20世纪40年代末起,各国就开发了多种磁笼途径,并由之出发,对聚变能科学可行性展开了不同规模的理论与实验探索研究。投入科学家及工程师上千人,经费总计每年超过10亿美元。各途径竞争非常激烈,其间纷争不断。在这过程中,人们对实现聚变能难度的认识也逐步加深。但从20世纪70年代开始,前苏联科学家发明的“托克马克”途径逐渐显示出了独特的优点,并在80年代成为聚变能研究的主流途径。托克马克装置又称环流器,是一个由环形封闭磁场组成的“磁笼”。等离子体就被约束在这“磁笼”中,很像一个中空的面包圈,等离子体环中感生一个很大的环电流。随着各国大小不一的托克马克装置的建成、投入运行和实验,托克马克显示了较为光明的前景:等离子体达到了数百万度,等离子体约束也获得了明显效果。科学家们认识到,如果扩大此类装置的规模,有可能获得接近聚变条件的等离子体。

  20世纪90年代,在欧洲、日本、美国的几个大型托克马克装置上,聚变能研究取得突破性进展。不论在等离子体温度、在稳定性及在约束方面都已基本达到产生大规模核聚变的条件。初步进行的氘-氚反应实验,得到16兆瓦的聚变功率。可以说,聚变能的科学可行性已基本得到论证,有可能考虑建造“聚变能实验堆”,创造研究大规模核聚变的条件。

我国参加国际热核聚变实验堆计划(组图)

  

托克马克示意图

  (三)

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