核聚变能联网发电又前进一大步

电力18讯：本报记者 焦旭

　　人类一直在寻找这样一种能源，它可开发、可持续、安全可靠且取之不尽，与此同时，这种“理想”能源要最终实现商业化。核聚变让人类可以驾驭太阳和星星，从中获取史无前例的巨大能源。世界各国的科研人员正试图在实验室中实现“人造太阳”的壮举，他们也面临着各种阻力。　

　　据外媒6月11日报道，美国田纳西大学的研究人员已经成功研发出一项隔离和稳定中心螺线管的关键技术，该技术用于正在开发中的国际热核实验反应堆（ITER）。此举将利用核聚变能联网发电的可行性又向前推进了一大步。相对于目前使用的核裂变技术，核聚变技术可以提供更多的能量，而风险却小得多。

　　田纳西大学机械学教授大卫・埃里克、航空航天学教授马杜・马杜卡尔和生物医学工程教授马苏德・帕兰领导的研究小组完成了ITER项目的一个重要步骤，通过实验成功地测试了隔离和稳定中心螺线管的技术。该实验装置是ITER的主架构，同时这项研究也关系到ITER项目的进展。

　　马杜・马杜卡尔表示：“ITER的目的是实现聚变能联网发电。核聚变的能量要比核裂变产生的能量更加安全和高效。我们不会再面对像切尔诺贝利和日本的核裂变反应堆发生失控所带来的危险。此外，核聚变反应几乎不会产生放射性废物。”

　　“人造太阳”的希望

　　ITER是介于当前的等离子物理实验装置和未来的核聚变发电站之间的一个试验性步骤，其目标是要建造第一个可自持燃烧的核聚变实验堆。从技术上说，ITER装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托克马克，俗称“人造太阳”。

　　“ITER计划”是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目。该计划是人类实现安全、高效、洁净的聚变能源梦想进程中最为重要的一步。这个计划在30年的运转周期里预计耗资超过100亿欧元，参与者有包括欧盟、美国、俄罗斯、日本、中国、印度和韩国在内的33个成员国，覆盖全球60%的人口和80%的GDP。他们联合起来，组成一个伟大的科学团队，共享各自的资源，以满足这一概念实现规模化生产所需的科学与工程技术。

　　ITER的使命是证明核聚变能在工程和经济上的可行性。ITER需要取得技术上的关键突破：稳定地越过1022的“聚变三重积”，超过能量的“收支平衡点”，实现10倍的能量增益Q值，证明利用核聚变能在工程上是可行的，并具有实用的经济价值。

　　目前，一座示范性反应堆正在法国南部普罗旺斯-阿尔卑斯-蓝色海岸大区的卡达拉舍建造，预计2020年开始运行。这项工程为进一步探索和发展能直接用于商用聚变发电的相关技术，为建造未来的聚变能示范电站，奠定了坚实的科学基础和必要的技术基础。

　　利用核聚变难比登天

　　ITER采用了1968年苏联人发明的托卡马克装置。托卡马克又称环流器，是一个由环形封闭磁场组成的“磁笼”，高温产生的等离子体就被约束在类似于面包圈的磁笼中。托卡马克装置通过约束电磁波驱动，创造氘、氚实现聚变的环境和超高温，并实现人类对聚变反应的控制。

　　ITER中的托卡马克装置是一个直径超过12米、容积达837立方米的环形容器，里面环绕着超导电磁线圈。环形托卡马克装置外部的磁体能产生强烈的螺旋型磁场，能够约束热核聚变中产生的超高温等离子体。为了打造这一巨大的磁性笼子，ITER项目使用了超过10000吨的铌合金制成的超导线圈，并且仍要用低温液态氦气来降温。

　　巨大的能量给ITER带来了威胁，“磁笼”并非牢不可破。活动剧烈的等离子体会发射出X射线，溢出带电粒子。而且，聚变反应将产生电中性且不受磁力吸引的高能中子。尽管有“磁笼”约束，ITER的等离子体很可能会以每平方米数千千瓦的热量将外壁炸开，其破坏力将远远超过此前的任何托卡马克装置或常规核裂变反应堆。

　　混合材料解决难点

　　中心螺线管导体是“磁笼”中的重要部分，如何隔离和稳定托卡马克装置的中心螺线管非常重要。因此，寻找一种合适的材料成为打破僵局的关键。田纳西大学的研究人员发现高碱玻璃纤维和环氧基树脂的化学混合物在高温状态下仍旧保持液态，并且极难固化。这种混合材料非常适合注入到中心螺线管中。

　　研究人员在中心螺线管导体的样机中进行了技术测试。这种特殊的混合物不仅具有电气绝缘性，而且可以提高导体的结构强度。综合考虑温度、压力、真空环境和混合物的流量，在注入过程中需要保持平稳的速度。

　　马杜・马杜卡尔说：“我们加入环氧基树脂的过程，几乎是在与时间赛跑。在测试中我们发现：温度越高，环氧基树脂的粘性越低，活性也越低。”

　　这项技术历时2年的研究，而向中心螺线管注入混合物质的过程就需要在严密监控下持续2天时间。这项技术将转移到圣地亚哥的通用原子公司，该公司是美国ITER项目的合作伙伴，负责建造中心螺线管导体，并运送到法国。

　　

　　中国“人造太阳”工程现状（延伸阅读）

　　据新华社电  中科院合肥物质科学研究院等离子体所日前传出喜讯，我国新一代“人造太阳”实验装置（EAST）辅助加热中性束注入系统（NBI）兆瓦级强流离子源分别完成了氢离子束功率3兆瓦、脉冲宽度500毫秒的高能量离子束引出实验，以及束功率1兆瓦、脉冲宽度4秒的长脉冲离子束引出实验。本轮实验获得的束能量和功率之高在国内尚属首次，实验结果接近项目设计指标，标志着我国自行研制的具有国际先进水平的中性束注入加热系统基本克服所有重大技术难关。

　　中性束注入系统是“十二五”国家大科学工程，是EAST装置辅助加热项目的两大辅助系统之一。它使EAST具有运行高参数等离子体的能力，是开展与国际热核聚变反应堆（ITER)密切相关的最前沿性研究的重要系统。EAST中性束注入系统完全由中国自行研制，该系统研究涵盖了精密的强流离子源、高真空、低温制冷、高电压及隔离技术、远程测控及等离子体和束诊断等多个科学技术领域。

　　EAST是世界上首台全超导托卡马克装置，具有开创性的意义，中心场强达3.5特斯拉，受到国际同行的瞩目。它将是在ITER之前国际上最重要的托卡马克物理实验基地。

　　该装置有真正意义的全超导和非圆截面特性，连续放电时间预计将超过1000秒。国际专家普遍认为，其工程建设和等离子体稳态运行模式研究将为ITER的建设提供直接经验和基础。