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探访合肥人造太阳基地(组图)(2)

http://www.sina.com.cn 2008年01月23日 10:45  大洋网-广州日报

  漫长研究

  从实验堆到预研堆,需要二三十年,从预研堆到商业运行堆,需要四五十年

  无论是EAST,还是即将动工的ITER装置,它们都只是实验堆,离真正的商业运行还很遥远。在投入商业运行之前,还需要经过实验堆、预研堆、商业堆三个阶段。每个阶段的研究,都将经过漫长的研究攻关。

  在罗家融看来,从实验堆走向预研堆,面临两个重大课题:一是如何让高温持续地产生,二是第一壁材料的问题。“把温度加热,1秒钟没有问题,常规托卡马克可以到5秒、10秒,超导托卡马克可以到100秒、1000秒,问题就是,1000秒以后能否持续高温,需要连续的稳态的高温。还有就是壁的材料的承受能力,10秒钟没有问题,100秒、1000秒有没有问题,最后到连续运行,另外材料如何更换,损耗有多快。这将是两个非常重大的难题。”他说。

  核聚变装置的真空室相当于一个装入高温等离子体的炉子,最受考验的是直接面向高温等离子体的内壁,即第一壁材料。氘氚聚变反应产生大量的高能中子、电磁辐射,它们和等离子体离子、快原子和其他从等离子体逃逸出的粒子(氘、氚和杂质)等等,强烈地作用于第一壁。到目前为止,人类还没有发明出工作环境这么复杂的材料。

  罗家融估计,从实验堆到预研堆,大约需要二三十年的时间;从预研堆到商业运行堆,需要四五十年的时间。“我最乐观地估计,到实现真正的商业运行,至少要经过一个世纪的努力。”罗家融说。由于能源危机的加剧,有可能会把这一进程提前。

  “人造太阳”实验的国际合作

  2006年达成合作协议 可能影响未来世界的能源格局

  毫无疑问,这是一场时间和金钱都消耗巨大的持久战。不过,在能源危机日益严重的背景下,“人造太阳”计划的意义显而易见。国际油价的高涨,石油、煤炭、天然气等不可再生能源获得的有限性以及环境污染的加剧,敦促人类寻找清洁、高效并具备大规模推广潜能的能源。

  原料取之不尽

  在和平利用核能方面,人类的探索漫长而曲折。

  核能包括裂变能和聚变能两种主要形式。在裂变和聚变的过程中,都会放出巨大的能量。

  如今,世界各地的核电厂都采用核裂变方式,但裂变需要的铀、钚等重金属元素在地球上含量稀少,而且铀、钚的放射性也使之具有致命性的危险。1986年切尔诺贝利核电站泄漏事故,导致直接或间接死亡人数超过4000人。

  此外,常规裂变反应堆会产生核废料,也限制了裂变能的发展。

  相比而言,核聚变则优点多多。以最容易发生的氘氚聚变反应为例,氢的同位素氘和氚可从海水中提取,核聚变反应不产生温室气体及核废料。原料几乎取之不尽,几乎不会危害环境。

  中科院等离子体物理研究所副所长武松涛测算,从1升海水中提取的氘和氚,如果实现完全的聚变反应,释放出的能量相当于燃烧300公升汽油所获能量。

  但裂变很容易发生的,聚变则不然。在地球上,除了科学家们的实验室里进行过核聚变以外,人们唯一知道的大规模聚变就是氢弹爆炸,但那会给人类带来灾难,人类需要的是受控核聚变。

  罗家融告诉记者:“核聚变的难度比核裂变要大得多。核聚变在地球上很少发生,但在太阳上,核聚变每时每刻都在发生。它的发生需要高温状态。”

  研究困难重重

  科学家希望,能够创造一个类似于太阳环境的装置,但其困难程度远远超出了他们最初的预计。要知道,如果让氘和氚发生聚变反应,氘和氚所处的环境温度必须达到1亿摄氏度以上。在这样的高温下,拿什么样的容器把高温下的氘氚气体约束在一起?这样高的温度,任何材料都注定无法承受。一旦某个环节出现问题,燃料温度下降,聚变反应就会自动中止。

  1969年,苏联科学家提出了“托卡马克”的概念。那就是利用环形封闭磁场组成的“磁笼”,把那些灼热的处于等离子状态的燃料约束起来。最核心的容器问题已经得到解决,这也是“人造太阳”计划的主体。

  “托卡马克”的概念随后被大量应用。为了达到聚变所要求的条件,托卡马克已经变为一个高度复杂的装置,十八般武艺全用上了,其中有超大电流、超强磁场、超高温、超低温等极限环境,对工艺和材料也提出了极高的要求。而且,在持续高温状态下,托卡马克装置需要实现长时间的稳态运行,而且在能量输出上也没有做到不赔本运转。

  共享知识产权

  国际科学界逐渐意识到,要推动可控核聚变研究,仅靠一国的力量是远远不够的。经过努力,2006年11月,来自欧盟、美国、中国、日本、印度、俄罗斯和韩国的七方代表在法国巴黎举行的国际热核聚变实验反应堆计划(简称“ITER”)的会议上正式签署了联合实验协定,“人造太阳”计划正式启动。“人造太阳”计划是继国际空间站项目之后最大的国际科学合作项目。

  中国参与ITER计划也引发了争议,一些知名科学家也提出了反对意见。在罗家融看来,“中国参与ITER计划的意义在于,利用10%的投入,就可以获得100%的知识产权。”因为只要是ITER的成员,所有的技术都是公开的,参与的各方能完全平等地分享所有的相关资料和知识产权。

  “有了这个知识产权,将来我国的核聚变技术就有可能从实验堆跨到预研堆。如果不参加,即使研究出来了,我们没有知识产权,不能为我所用。”罗家融告诉记者。而这一切,在很大程度上影响到未来世界的能源格局。

  中国成果卓著

  从上世纪60年代至今,中国的磁约束核聚变研究有着40多年的历史。位于成都的核工业西南物理研究院先后研制成功了中国环流器一号和中国环流器新一号托卡马克装置,推动了世界对核聚变“磁笼”的探索和研究。

  1978年,中科院决定在合肥成立等离子体物理研究所,从事核聚变研究。“1992年前后,科学院花了两车皮羽绒服从俄罗斯引进了一套托卡马克实验装置HT-7。”罗家融告诉记者。经等离子体物理研究所的不断改进,它已成为一个庞大的实验系统。在他看来,此事在中国核聚变研究史上有着重要意义。

  在十几次实验中,研究人员取得若干具有国际影响的重大科研成果。特别是在2003年3月31日,实验取得了重大突破,获得超过1分钟的等离子体放电,这是继法国之后第二个能产生分钟量级高温等离子体放电的托卡马克装置。2006年,等离子体物理研究所自主研制和设计了全超导托卡马克装置EAST。这台全超导托卡马克装置,受到了国际同行的瞩目。

  等离子体物理研究所的托卡马克装置引起了其他一些国家的注意。罗家融告诉记者,巴基斯坦有意要购买该所一套已经停用的托卡马克装置,而印度则打算购买HT-7。

  研究人员紧缺

  不过,虽然中国在核聚变领域具有国际先进水平,但整体实力与美国、欧盟相比,仍然有一些差距。罗家融认为,中国核聚变研究的人才十分紧缺,人才问题是相当严峻的问题。“我初步估算了一下,我国从事聚变等离子体研究的人才,包括高级、中级、低级人才,最多1500人。真正做研究的,少于500人。真正拔尖的,能够到国际会议上开会跟国际同行交流的有100个人。”罗家融忧心忡忡。他担心,人才的紧缺,对于我国今后参与ITER计划会带来严重问题。

  而更长远的问题,则是在中国参与到ITER计划之后。“派去法国参与ITER计划的人,可以学到东西,但他们回来之后,我们国内怎么做?”在罗家融看来,核聚变研究理论最终能否实现产业化,不是几个研究所、高校就能够解决的问题,而在于工业界乃至整个社会的努力,这已经不是学术内容,而是工程内容。“人才问题只是先决条件,在解决这个先决条件之后,还要取决于社会的参与程度。”罗家融说。

  显然,参与ITER计划这个最昂贵的科学工程,并非中国核聚变事业的全部。它只是重要一步,但远非最后一步。(记者 曾向荣)

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