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“人造太阳”改变了我国材料被“卡脖子”的局面

发布时间:2021-09-21 03:49:16
来源:亚娱体育平台

  “天眼”巡空、“复兴”开跑、“中子”探秘、“天问”探测......从基础研究,到原始创新,再到高端产业,一批“国之重器”纷纷亮相,纵观这些重器,没有一蹴而就的成功,是我国一代又一代科技工作者薪火相传,勇攀高峰,为科技事业发展贡献了智慧和力量,才得以让一项项令世界瞩目的重大工程项目在中华大地上屹立,也在党的百年发展历程中写下浓墨重彩的一笔。

  然而科学探索永无止境,未来科技创新的旋律依旧激昂澎湃。今年,是中国建党100周年,也是“十四五”开局之年。站在新的历史起点上,我国将继续着力加强基础研究和关键核心技术。近日,国务院常务会议更是部署推进实施“十四五”规划《纲要》确定的重大工程项目。会议指出,要将“十四五”规划重大工程落实到具体项目,优先纳入各领域规划,科学制定实施方案,分年有序推进,形成开工一批、投产一批、储备一批的良性循环。

  历经8年艰苦奋斗和自主创新,世界上新一代全超导托卡马克核聚变实验装置在中国率先建成并正式投入运行,为未来清洁能源的利用和发展提供实验研究平台。

  位于安徽省的中科院合肥物质科学研究院,有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)成功创造新世界纪录,重复以1.2亿摄氏度及1.6亿摄氏度的温度,分别运行等离子体101秒及20秒,将原来的1亿摄氏度运行20秒纪录延长5倍。

  地球万物生长所依赖的光和热,源于太阳核聚变反应后释放的能量。而支撑这种聚变反应的燃料氘,在地球上的储量极其丰富。如果利用氘制造一个“人造太阳”来发电,人类就能够彻底实现能源自由。

  从20世纪50年代开始,我国与国际基本同步,开始了在可控核聚变领域的研究。最终苏联科学家提出的托卡马克方案异军突起,国际核聚变界的重点研究方向随之转向了托卡马克。

  在科研人员不懈努力之下,先后建成常规磁体托卡马克HT-6B、HT-6M等实验装置。1994年,我国第一个圆截面超导托卡马克核聚变实验装置“合肥超环”(HT-7)研制成功,使我国成为继俄、法、日之后第四个拥有超导托卡马克装置的国家,也是我国建成并投入运行的首个超导托卡马克装置。

  2013年5月,HT-7正式被中国科学院和原环保部批准退役,成为我国首个获批退役的大科学工程装置。

  这次创造新的世界纪录的主角——EAST是由国家发展改革委批准立项的“九五”国家重大科技基础设施。它是在“合肥超环”基础上,由我国科学家自主研发的世界上第一个全超导磁体、非圆截面托卡马克实验装置,主体部分高11米、直径8米、重400多吨。据了解,在1998年7月,EAST正式立项。2000年10月,EAST正式开工建设。

  “EAST最大的创新点,是把全超导和非圆截面结合起来,产生稳态和以先进模式运行的等离子体,使研究人员能在稳态条件下对约束改善、破裂控制、粒子输运、能量平衡、功能材料和杂质控制等实现聚变堆稳态运行所必须面对的重大物理问题进行深入研究。”在当时的EAST大科学工程团队的领军人物万元熙院士看来,物理上的先进性,必将带来工程上的巨大挑战。

  然而在20世纪90年代末,中国聚变工程技术和超导工业十分薄弱,没有研制大型超导磁体、大型低温系统的经历,国际上尚没有任何一个国家研制和建造过全超导托卡马克装置。

  “我们要在没有任何经验可借鉴的情况下,造出一个需要同时承载大电流、强磁场、超高温、超低温、高真空、高绝缘等复杂环境的装置,这对工艺设计和材料提出了极高的要求,比如芯部的等离子体温度高达1亿摄氏度,线圈中的温度却要求达到零下269摄氏度,项目难度可见一斑。”中科院合肥物质科学研究院副院长、等离子体物理研究所所长宋云涛曾表示。

  其中,实现上亿摄氏度点火是实现核聚变发电的两大难点之一。上亿摄氏度相当于太阳核心温度的6.67倍。为了实现如此高温,科学家们采用了微波、中性束等多种加热手段。然而,目前地球上最耐高温的金属材料钨的熔化温度是3000多摄氏度。用什么承载上亿摄氏度的高温等离子体?科学家们的方法是用磁场做成“笼子”,把那团上亿度的火球悬浮起来,使所有电离了的等离子体只能沿着磁力线运动,不让它与周边的任何容器材料接触,从而保护装置材料不被烧毁。

  面对材料被“卡脖子”,我国科学家边建设边研发。从超导材料、超导接头、超导配线,到大型磁体系统......如今我国已拥有世界先进的超导技术。

  “可以说,研制人造太阳,也推动中国的超导材料产业前进了20年。”宋云涛介绍,如今中国已成为世界上超导材料的最大出口国,从被“卡脖子”的对象成为主供应商。

  除此之外,还衍生出一系列重要的创新成果,在低温技术、等离子体技术、生物技术、材料技术、机器人技术等多个产业技术板块,推动一大批高新技术成果实现转移转化。

  到2005年底,EAST完成了主机总装以及各分系统的研制和安装工作。2006年3月,成功进行了首次工程调试。2006年9月,EAST首轮物理实验成功获得高温等离子体。

  历经8年艰苦奋斗和自主创新,世界上新一代全超导托卡马克核聚变实验装置在中国率先建成并正式投入运行,为未来清洁能源的利用和发展提供实验研究平台。2006年1月,EAST实现电子温度超过5000万摄氏度,两年后又实现电子温度1亿摄氏度等离子体运行,而太阳核心的温度也不过1500万摄氏度。EAST性能逐步提升。2006年,首次等离子体放电成功,时长仅仅3秒;2017年7月,实现了稳定的101.2秒稳态长脉冲高约束等离子体运行,创造了新的世界纪录。

  2007年3月1日,国家发展改革委组织专家对EAST进行竣工验收。专家们认为,中国科研人员在国际上尚无全超导托卡马克的情况下,边建设、边研发,解决了大型超导磁体、大规模低温制冷等一系列关键技术问题,自主设计、加工制造了关键部件,形成了一系列高新技术成果。

  去年6月,中科院合肥研究院等离子体所启动EAST装置的升级改造工作,历时一年的升级改造全面提升了该装置性能,并在物理实验中攻克了稳态高功率加热、完全非感应的高电流驱动、高精度等离子体实时控制、高热负荷等离子体与壁材料相互作用等系列技术难题。

  据了解,本次物理实验成果是对EAST装置首次在国际上采用全金属主动水冷第一壁、高性能钨偏滤器、稳态高功率波加热、等离子体位形精密控制等一系列未来聚变堆必须采用的关键技术的验证。

  “我们通过高功率的射频波加热,通过主动水冷偏滤器,通过精密的等离子体控制,特别是等离子体与材料强相互作用这一方面,克服了许多工程和技术方面的难题,使得EAST性能得到了很大的提高,这是其中一个重要的保障。这一成绩的取得,也标志着我国在稳态高参数磁约束聚变研究领域处在国际领先水平。”中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所托卡马克物理研究室主任龚先祖说。