2020年12月4日,我國新一代“人造太陽”裝置——中國環流器二號M裝置(HL-2M)在位於四川成都的核工業西南物理研究院正式建成並實現首次放電。這標志著我國自主掌握瞭大型先進托卡馬克裝置的設計、建造、運行技術,將為我國核聚變堆的自主設計與建造打下堅實基礎。HL-2M主要是用來開展高參數、高性能條件下的可控核聚變研究。HL-2M一方面可支撐國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃,為ITER開展預先研究;另一方面也將是我國可控核聚變人才培養的重要平臺。HL-2M和ITER是什麼?它們是如何實現核聚變的呢?讓我們一探究竟。

一、HL-2M和ITER是什麼?

中國環流器二號M 裝置(HL-2M)由核工業西南物理研究院自主設計建造,是我國新一代先進磁約束核聚變實驗研究裝置。HL-2M裝置用於研究未來聚變堆相關物理及其關鍵技術,研究高比壓、高參數的聚變等離子體物理。

2020年12月4日,我國新一代“人造太陽”裝置——中國環流器二號M裝置(HL-2M)在位於四川成都的核工業西南物理研究院正式建成並實現首次放電。這標志著我國自主掌握瞭大型先進托卡馬克裝置的設計、建造、運行技術,將為我國核聚變堆的自主設計與建造打下堅實基礎。HL-2M主要是用來開展高參數、高性能條件下的可控核聚變研究。HL-2M一方面可支撐國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃,為ITER開展預先研究;另一方面也將是我國可控核聚變人才培養的重要平臺。HL-2M和ITER是什麼?它們是如何實現核聚變的呢?讓我們一探究竟。

二、HL-2M和ITER是什麼?

中國環流器二號M 裝置(HL-2M)由核工業西南物理研究院自主設計建造,是我國新一代先進磁約束核聚變實驗研究裝置。HL-2M裝置用於研究未來聚變堆相關物理及其關鍵技術,研究高比壓、高參數的聚變等離子體物理。

早在1952年,人們就以氘氚為核燃料通過氫彈爆炸在地球上實現瞭聚變核反應。可這種瞬間的猛烈爆炸無法控制,若要將聚變時放出的巨大能量作為人類生活生產的能源,則需對劇烈的聚變核反應加以控制,即受控核聚變。

三、受控核聚變如何實現?

要實現受控熱核聚變反應需滿足兩個苛刻的條件:

(一)極高的溫度

兩原子核發生聚變反應時,必須克服原子核間的靜電勢壘,使它們達到原子核內核子與核子之間核力的作用距離,才能形成新的原子核。據實驗資料估計,溫度達到一億度以上時,氘核與氚核才能克服靜電勢壘發生聚變反應。在如此高溫下,物質已全部電離,形成高溫等離子體,因此開發利用核聚變能源首先必須產生一團溫度達上億度的高溫等離子體。

(二)充分的約束

充分的約束,指將高溫等離子體維持相對足夠長的時間,使聚變反應釋放的能量大於產生和加熱等離子體本身所需的能量及其在此過程中損失的能量。這樣,聚變反應堆無需從外界吸收能量,能夠自持進行反應。等離子體約束時間跟密度相關,密度大,單位時間裡參加反應的原子核較多,釋放的能量也較多,因而需要的約束時間相應較短。反之,約束時間需要較長。

目前比較有希望的兩種實現受控聚變的方法分別是磁約束核聚變和慣性約束核聚變。ITER與HL-2M均為托卡馬克裝置,“托卡馬克”型磁場約束法,主要利用大電流所產生的強磁場,把等離子體約束在很小范圍內實現核聚變。

實現聚變能商用雖“路漫漫其修遠兮”,但隨著科研人員的不斷求索,HL-2M等其他聚變實驗堆陸續建成,ITER目前也已完成約71.1%工作量,計劃於2025年獲取第一束等離子體,相信有一天,人類將實現和平利用聚變能。

參考資料:

[1] 新一代“人造太陽”開始放電.中國青年報.2020.12.08

[2] 中國環流器二號M裝置建成並實現首次放電. 中國核工業集團有限公司.2020.12.07

[3] 中國環流器二號M裝置(HL-2M).核工業西南物理研究院.2018.01.04

[4] ITER十年,中國為國際大科學工程提供“中國智慧”.中國核工業集團有限公司.2017.11.28

[5] 理化所中標ITER國際科技合作項目.中國科學院.2009.11.26

[6] ITER主設備安裝拉開序幕.科技日報.2020.05.29

[7] 中國環流器2M裝置建成:問鼎人類終極能源.中國核工業集團有限公司.2020.12.07

[8] 熱核聚變.中國國際核聚變能源計劃執行中心.2018.08.20

[9] 磁約束聚變裝置原理.中國科學院等離子體物理研究所.2012.10.26

[10]宋斌斌,冉紅,侯吉來,等.HL-2M裝置真空室測量基準的建立及尺寸測量[C]// 中國核學會2019年學術年會.0.

[11]國際熱核聚變反應實驗堆建設.ITER.2020.10.31