Haipai's Blog

　　16日，国际热核聚变实验堆7个成员国代表齐聚中国江苏，共同研究这一可能影响人类从根本上解决能源问题的计划。被称为”人造太阳″的国际热核聚变实验堆，它承载的是人类未来新能源的希望。

　　所谓“人造太阳”，即先进超导托卡马克实验装置，也即国际热核聚变实验堆计划(ITER)建设工程，是当今世界迄今为止最大的热核聚变实验项目，旨在在地球上模拟太阳的核聚变，利用热核聚变为人类提供源源不断的清洁能源。核聚变能以氘氚为燃料，具有安全、洁净、资源无限3大优点，是最终解决全人类能源问题的战略新能源。

　　在太阳的中心，温度高达1500万摄氏度，气压达到3000多亿个大气压，在这样的高温高压条件下，氢原子核聚变成氦原子核，并放出大量能量。几十亿年来，太阳犹如一个巨大的核聚变反应装置，无休止地向外辐射着能量。

　　核聚变能是两个较轻的原子核结合成一个较重的原子核时释放的能量，产生聚变的主要燃料之一是氢的同位素氘。氘广泛的分布在水中，每一升水中约含有30毫克氘，通过聚变反应产生的能量相当于300升汽油的热能。采集氘并使之与相关物质聚变产生能量，就是人造太阳的原理。

　　20世纪50年代初，苏联科学家塔姆和萨哈罗夫提出磁约束的概念。苏联库尔恰托夫原子能研究所的阿奇莫维奇按照这样的思路，不断进行研究和改进，于1954年建成了第一个磁约束装置。他将这一形如面包圈的环形容器命名为托卡马克（tokamak）。托卡马克是“磁线圈圆环室”的俄文缩写，又称环流器。这是一个由封闭磁场组成的“容器”，像一个中空的面包圈，可用来约束电离了的等离子体。

　　托卡马克中等离子体的束缚是靠纵场（环向场）线圈，产生环向磁场，约束等离子体，极向场控制等离子体的位置和形状，中心螺管也产生垂直场，形成环向高电压，激发等离子体，同时加热等离子体，也起到控制等离子体的作用。

　　几十年来，人们一直在研究和改进磁场的形态和性质，以达到长时间的等离子体的稳定约束；还要解决等离子体的加热方法和手段，以达到聚变所要求的温度；在此基础上，还要解决维持运转所耗费的能量大于输出能量的问题。每一次等离子体放电时间的延长，人们都为之兴奋；每一次温度的提高，人们都为之欢呼；每一次输出能量的提高，都意味着我们离聚变能的应用更近了一步。尽管取得了很大进步，但障碍还是没有克服。到目前为止，托卡马克装置都是脉冲式的，等离子体约束时间很短，大多以毫秒计算，个别可达到分钟级，还没有一台托卡马克装置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。

　　为了维持强大的约束磁场，电流的强度非常大，时间长了，线圈就要发热。从这个角度来说，常规托卡马克装置不可能长时间运转。为了解决这个问题，人们把最新的超导技术引入到托卡马克装置中，也许这是解决托卡马克稳态运转的有效手段之一。目前，法国、日本、俄罗斯和中国共有4个超导的托卡马克装置在运行，它们都只有纵向场线圈采用超导技术，属于部分超导。其中法国的超导托卡马克Tore-Supra体积较大，它是世界上第一个真正实现高参数准稳态运行的装置，在放电时间长达120秒的条件下，等离子体温度为2000万度，中心粒子密度每立方米1.5×1019个。中国和韩国正在建造全超导的托卡马克装置，目标是实现托卡马克更长时间的稳态运行。

　　50年来，全世界共建造了上百个托卡马克装置，在改善磁场约束和等离子体加热上下足了功夫。在上世纪70年代，人们对约束磁场研究有了重大进展，通过改变约束磁场的分布和位形，解决了等离子体粒子的侧向漂移问题。世界范围内掀起了托卡马克的研究热潮。美国、欧洲、日本、苏联建造了四个大型托卡马克，即美国1982年在普林斯顿大学建成的托卡马克聚变实验反应堆（TFTR），欧洲1983年6月在英国建成更大装置的欧洲联合环（JET），日本1985年建成的JT-60，苏联1982年建成超导磁体的T-15，它们后来在磁约束聚变研究中做出了决定性的贡献。特别是欧洲的JET已经实现了氘、氚的聚变反应。1991年11月，JET将含有14%的氚和86%的氘混合燃料加热到了摄氏3亿度，聚变能量约束时间达2秒。反应持续1分钟，产生了1018个聚变反应中子，聚变反应输出功率约1.8兆瓦。1997年9月22日创造了核聚变输出功率12.9兆瓦的新记录。这一输出功率已达到当时输入功率的60%。不久输出功率又提高到16.1兆瓦。在托卡马克上最高输出与输入功率比已达1.25。

热核聚变试验堆模拟图

中国出10亿欧元参与人造太阳 20年后将初见成效

　　1985年，处在冷战时期的美、苏两个核超级大国在日内瓦峰会上提出了一个人类历史上前所未有的宏大合作计划——“国际热核聚变实验堆计划”，也就是被称作“伊特尔”的人造太阳计划。1988年，该计划正式启动。经过20多年的共同努力，在克服一个又一个重大科研难题的基础上，由中、欧、日、韩、俄、美六方组成的ITER国际组织于2007年10月24日正式成立，后来印度也加入进来。

　　16日，国际热核聚变实验堆计划7个成员国代表齐聚中国江苏，共同研究这一可能影响人类从根本上解决能源问题的计划。

　　无穷的能源

　　对于人类和平利用核能，目前我们熟悉的是各国普遍采用的核电站，它是靠核裂变产生的能量发电，而国际热核聚变实验堆则是靠核聚变获取能量，它将更加环保，而且可利用资源无限大，还不会产生放射性废料。

　　因为国际热核聚变实验堆的反应原理与太阳内部的聚变原理一样，所以它也被人们形象地称为“人造太阳”。科技部副部长曹建林在接受采访时说，人造太阳计划将帮助人们彻底摆脱能源短缺的困境。

　　曹建林解释说，在太阳内部不断地进行着核聚变，然后它放出巨大的能量，如果我们能在地球上造成这种核聚变，实际上就是直接在造太阳，模拟太阳能源的制造机理制造能源。

　　中国核工业集团公司核聚变专家段旭如说，从理论上看，国际热核聚变实验堆几乎能为人类提供无穷的能源。

　　中国出资10%

　　人造太阳计划是目前世界上仅次于国际空间站的国际大科学工程计划，是人类受控核聚变研究走向实用的关键一步，因此备受各国政府与科技界的高度重视和支持。

　　该计划涉及到全球60%的人口和80%的GDP，其预算总经费是100亿欧元，其中欧盟承担40%，其余6方各承担9%。从2008年开始，伊特尔试验堆工程已经在法国南部城市卡达拉舍进行建设，这次第六届理事会就是要审议伊特尔一个最基本的计划叫计划基准，也就是对伊特尔计划的总进度、总费用、技术规格、项目管理在内的几个文件进行最后的审核。

　　国际热核聚变实验堆项目预期持续30年，10年作为工程建设，20年作为运行。中国在2003年2月宣布作为全权独立成员加入该计划，这意味着中国承诺承担国际热核聚变实验堆工程总造价100亿欧元的10%，并享受全部知识产权。段旭如介绍说，中国参与这个项目意义重大——“我们提供10%的支持，其中70%以上是提供实物的贡献，也就是说给伊特尔提供一些部件。享有全部的知识产权意味着，我们虽然只承担了10%，但实际上其他90%的技术资料都是可以共享的，这样的话，对今后我们建造自己的试验堆有更多技术上的支持。”

　　20年后初见成效

　　在16日的会议开幕式上，科技部部长万钢表示，中国方面将一如既往地支持伊特尔组织的工作，履行中方在计划中的各项承诺和义务。

　　那么，“人造太阳”计划还要多久才能成功，为人类造福呢？万钢表示，“最终大家看到核聚变实验堆能够完成它的实验，供人类生活利用，应该在20年到30年后，能见到最初的成效。”

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This entry was posted on 星期五, 六月 18th, 2010 at 11:36 上午 and is filed under 发现. You can follow any responses to this entry through the RSS 2.0 feed. You can leave a response, or trackback from your own site.