大科学装置|人造太阳:为开发核聚变能源探路( 二 )
从5000万摄氏度放电30秒至60秒,再到百秒,再到1亿摄氏度运行20秒……东方超环不断刷新着放电纪录 。如果能较长时间维持1亿摄氏度的高温,实现接近1000秒的放电时间,将证明人类距离解决核聚变商业化应用的步伐更进一步 。
每一秒的增长,在科学上都具有极高的难度,背后是科研人员夜以继日的钻研和呕心沥血的付出 。
实现受控热核聚变和稳态约束等离子体,是国际共性科学难题 。根据物理学理论“劳森判据”,核聚变点火条件包括核聚变燃料的温度、密度和约束时间这三个要素 。据等离子体所博士鄢容介绍,想实现聚变反应,首先要达到1亿摄氏度以上,使聚变燃料完全电离,并在保证等离子体密度的前提下,将高温等离子体维持相对足够长的时间,不泄露不逃逸,才可能释放出足够多的能量 。托卡马克的高温物质,就像是一群正在嬉戏打闹的淘气孩子,很难控制 。温度、密度、时间这三个要素缺一不可,相互协调到最佳状态,才能实现稳态约束 。
除了科学实验难度高,作为集成系统,这个装置对工程配合要求也极高 。据了解,整个大科学装置总共有48个窗口,零件数量相当于5架波音777飞机的零件总和 。短短的数十秒运行中,任何一个零件失灵,任何一滴不该出现的水珠,任何一个停滞的环节,都会导致实验风险 。科研人员不舍昼夜地实验、调试,就是希望能更精确掌握等离子体的基本特性,研究改进磁笼子的形态和性质,在看似杂乱无章的现象中发掘科学规律,提出长时间等离子体稳定约束的最佳运行方案 。
大科学装置集高精尖技术于一身,其承载的意义早已不止追求科学目标本身 。在东方超环这座大科学装置的牵引下,衍生出了一系列重要的创新成果,形成了超导技术、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,实现了“一路摘瓜”“沿途下蛋” 。
比如,质子和重离子放疗是目前国际公认最尖端的放射治疗技术,一直被发达国家所垄断 。等离子体所利用大科学装置的超导技术,积极研制国内首套具有自主知识产权的医用超导质子癌症治疗系统,将大幅降低患者治疗费用 。
此外,等离子体还能治疗皮肤病,有广谱抗菌、加速凝血、促进细胞增殖、无耐药性及副作用等优点;等离子体所将大科学装置离子束技术引入生物学科,致力于微生物新菌种的创制、发酵调控、产物分离分析及终端产品的研究和产业转化 。
据介绍,我国的核聚变研究与国际基本同步,甚至在聚变某些技术领域确立了领跑地位,在超导、稳态控制、加热等方面巩固了中国特色 。有国外期刊称赞“中国创造了聚变历史”“在这里科学价值得到极大体现” 。
以东方超环项目为依托,科研人员参与了目前全球规模最大的国际科研合作项目
在国际科技合作方面,东方超环作为国际磁约束聚变装置中最前沿的国际开放平台之一,积极开展国际联合实验,促进了全面开放共享 。
更重要的是,以这个项目为依托,我国科研人员参与了目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目ITER(国际热核聚变实验堆计划) 。该计划的目标是在和平利用聚变能的基础上,探索聚变在科学和工程上的可行性 。包含中国在内的多个国家参与了这个国家大科学项目,举多国合力向受控聚变实验堆迈进 。
“东方超环很像ITER的缩小版,运行模式也都是采用了长脉冲高约束 。我国科研人员在这个装置上摸爬滚打这么多年,每个材料都摸过,每个环节都练过,真正积累了等离子体运行的实际经验,能在科学原理和工程建设上为ITER提供宝贵参考经验 。”宋云涛说 。
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