在科幻大片《流浪地球》系列中,为了拯救地球,人类开启了“流浪地球”计划,而其中的“人造太阳”更是为地球提供了源源不断的能量,让人类在漫长的宇宙流浪中得以生存。如今,这一科幻场景正在逐步走进现实,我国的“人造太阳”研究又取得了令人瞩目的新进展,再次刷新世界对中国科技实力的认知。
何为“人造太阳”所谓“人造太阳”,可不是真的在天上再造一个太阳,而是科学家们模拟太阳核聚变反应原理,在地球上建造的可控核聚变反应装置。核聚变,简单来说,就是两个轻原子核,比如氢的同位素氘和氚,在极高的温度和压力下克服电荷排斥力,聚合成一个较重的原子核,同时释放出巨大能量。这与太阳内部时刻进行的氢核聚变反应如出一辙,太阳正是靠着这种反应,数十亿年如一日地向外辐射光和热,为地球带来生机。
与目前广泛应用的核裂变相比,核聚变优势明显。核裂变是重原子核分裂成几个轻原子核的过程,像核电站常用的铀核裂变,虽然能产生能量,但弊端也不少。一方面,核裂变的燃料铀等在地球上储量有限,属于不可再生资源;另一方面,核裂变会产生大量放射性废料,处理起来极为棘手,一旦发生核泄漏事故,如切尔诺贝利和福岛核事故,对生态环境和人类健康的危害堪称灾难性。而核聚变的燃料氘在海水中大量存在,据估算,海水中的氘足够人类使用上百亿年,可谓取之不尽;核聚变产生的放射性废料极少,而且反应过程相对安全,一旦条件不满足,聚变反应会立即停止,不存在核裂变反应堆那种堆芯熔毁、放射性物质大量泄漏的风险。
正因如此,可控核聚变被视为人类未来能源的“圣杯”,若能成功实现并商业化应用,将彻底改写全球能源格局,为人类的可持续发展提供近乎无限的清洁能源。我国一直积极投身于这一前沿领域的探索,不仅在国内大力推进自主研发项目,还深度参与国际热核聚变实验堆(ITER)计划这一全球最大的核聚变合作项目。在ITER项目中,我国与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国共同出资、携手合作,承担了多个关键部件的制造任务,为人类共同的“人造太阳”梦想添砖加瓦。
本次突破亮点多就在不久前,合肥科学岛传来了振奋人心的消息:国际尺寸最大、实验条件最为完善的大型超导磁体动态性能测试系统成功建成,并且实现了材料、设备、系统 100%国产化。这一系统可是“人造太阳”最为核心的部件——超导磁体的关键测试设备,它的诞生标志着我国在超导磁体技术领域已然达到国际领先水准,彻底摆脱了对国外技术与设备的依赖。
该系统由一个直径 6.5 米、高 9.2 米的大型真空容器以及极低温、大电流电源等系统组成,能够模拟超导磁体在强电磁场、高压快速变化等极端条件下的运行状态,开展超导磁体的强电磁场、高压快速变化、系统可靠性等实验,从而获取充分的运行工况实验数据。科研团队历经十年的艰苦攻关,成功攻克了大型聚变堆超导磁体设计、低阻超导接头、超低温磁体绝缘、失超保护、大型低温、大电流电源及快速磁场变化安全控制等一系列技术难题,完成了大型超导磁体的研制工作。
在首轮实验中,新建系统成功实现了稳态 48 千安的最大测试电流,“聚变工程堆中心螺管系统”的总储能达 406.7 兆焦,接头电阻保持在 0.1 纳欧,全面达到了设计指标,这为确保超导磁体在未来实际应用中的表现奠定了厚实的基础。中国科学院合肥物质院等离子体所研究员秦经刚透露,未来的测试计划将使系统的载流能力超过 50 千安,磁场变化率将争取达到 1.5 特斯拉每秒。科研团队还将首次在大电流、多线圈、高磁场的动态条件下,进行性能参数的表征,而这些参数,目前国际上尚无参考,我国科研人员即将掌握的第一手资料意义非凡。
多系统协同推进除了超导磁体系统取得的重大突破外,中国“聚变堆主机关键系统综合研究设施”的其他18项子系统的研制也基本完成,正在紧锣密鼓地开展整体集成及调试工作。这一设施作为国家“十三五”重大科技基础设施,承载着无数科研人员的心血与期望,其主要建设内容聚焦于超导磁体研究系统和偏滤器研究系统。
在聚变堆园区的各个科研厂房内,处处是一片繁忙而有序的景象。11号科研厂房里,那个高度20米、外形似“橘子瓣”状的1/8真空室及总体安装实验平台已然基本落成。这一平台为D型截面双层壳体结构,总高20米,D型截面高11米,最大环向直径19.5米,最小环向直径5.7米,真空室壳体选用50毫米厚的超低碳不锈钢材料,总重达5600吨。在它的研制过程中,科研团队攻克了重重难关,形成了40多项专利技术,熟练掌握了精密成型、柔性自动化焊接、相控阵超声无损检测以及大视场激光准直测量等关键技术,还为遥控操作系统提供了一个全尺寸的安装模拟平台,预计明年初就能正式启用,为后续研究注入强大动力。
8号科研厂房的恒温洁净车间内,环向场线圈绕制生产线刚刚竣工完成。这条生产线主要由导体放送系统、导体校直系统、在线超声清洗系统、导体喷砂与清洗系统、导体连续弯绕机、线圈绕制回转平台等设备通过自动控制系统联动控制组成,致力于开展聚变堆级全尺寸D形线圈的制造验证。这里的环向场线圈采用全球首创的高、中、低场三个子线圈堆叠和套装组成,对绕制后的线圈轮廓度和平面度有着不超过1.5毫米的严苛要求,科研人员创新性地采用无张力绕制技术对截面64mm*64mm的超导导体进行连续精密绕制,完成了复杂轮廓绕制运动轨迹模拟、无张力连续推弯成形、截面氦管自动焊接等一系列关键技术研究,成功掌握了核心技术。
此刻,线圈绕制生产线的安装和联调测试已经圆满完成,用于首个认证件绕制的900余米长的全尺寸导体也已准备就绪,即将开展线圈绕制工艺验证,向着最终的成功稳步迈进。
13号北大厅是偏滤器等离子体与材料相互作用研究平台的所在地,未来这里将建成国际上参数水平最高的直线等离子体装置及其辅助系统,能够产生聚变堆偏滤器所要承受的稳态大束流等离子体,有力推动面对等离子体部件的研发。项目负责人周海山研究员带领团队已经出色地完成了平台物理和工程设计工作,还在测试台上取得了连续24小时运行的偏滤器靶板束流密度等离子体的新纪录,充分验证了关键部件的稳定性,为CRAFT偏滤器研究系统建设筑牢了根基。
此外,偏滤器部件测试平台、聚变遥操作测试平台、辅助加热系统、低温系统、环向场大型超导磁体热处理系统、中心螺管模型线圈磁体测试系统等子系统研制也在加速进行,现场火花四溅、机器轰鸣,科研人员们日夜坚守,与时间赛跑;110KV终端变电站及附属供配电系统,由内循环外循环和冷冻水系统组成的水冷系统等配套支撑系统已经建成并投入运行,为整个设施的稳定运行提供了坚实保障,如同坚实的后盾,默默支撑着前沿的科研探索。
预计今年底,“聚变堆主机关键系统综合研究设施”将全面建成,届时,它将成为国际聚变领域参数最高、功能最完备的综合性研究平台,为中国未来聚变工程堆更多核心部件的研制提供不可或缺的工程技术基础和极端实验条件,为我国开展聚变堆设计及核心部件研发、热与粒子排除关键问题研究、大规模低温和超导技术研究、强流粒子束与基础等离子体研究、深空推进探索等诸多领域提供强大的技术支撑,助力我国在全球核聚变研究领域抢占制高点。
向终极能源迈进每一次“人造太阳”取得的突破,都让我们离那个用之不竭的清洁能源时代更近一步。一旦可控核聚变技术完全成熟并实现商业化运营,那将彻底改写人类社会的能源版图。困扰全球多年的能源危机有望迎刃而解,传统能源带来的环境污染问题,如温室气体排放、酸雨等,也将得到根本性扭转,为地球生态的修复注入强大动力。
想象一下未来,“人造太阳”矗立在大地上,源源不断地为城市、工厂输送电力,无论是炎炎夏日的空调制冷,还是寒冬腊月的暖气供应,亦或是电动汽车的便捷充电,都无需再为高昂电费、能源短缺而忧心。在工业领域,金属冶炼、化工合成等高能耗产业将迎来全新变革,生产成本大幅降低,生产效率飞速提升,还将催生出高端材料制备等一系列新兴产业,为制造业的高端化、智能化发展赋能。在农业生产中,可为温室大棚提供充足电能,精准调控温度、光照,让四季都能成为丰收季,同时利用辐射诱变育种技术,培育出更多优良农作物品种。甚至在医疗前沿阵地,为质子治疗等高端技术提供强劲能量支撑,助力攻克癌症等疑难病症,守护人类健康。
当然,通往终极能源的道路从来都不是一帆风顺的。目前,“人造太阳”还面临着诸多技术挑战,比如如何进一步提高等离子体的温度、密度和约束时间,怎样优化装置的稳定性与可靠性,如何降低建造成本与运维成本等。但就如同人类探索宇宙的征程一般,困难只会激发斗志,我国科研人员正以无畏的勇气、创新的智慧,在这条充满荆棘的道路上砥砺前行,向着“人造太阳”照亮全球的那一天奋勇迈进。 让我们共同期待,在不久的将来,这颗“人造太阳”能真正高悬于人类文明的天空,为地球的可持续发展注入源源不断的能量,开启一个清洁、繁荣的新纪元。而中国,必将在这场能源变革的浪潮中,凭借深厚的科研积淀、卓越的创新能力,担当起领军者的重任,为人类的未来贡献磅礴的中国力量!
中国科技砥砺前行回首我国“人造太阳”的发展历程,那是一部充满艰辛与荣耀的奋斗史诗。从最初的艰难起步,科研条件简陋,技术资料匮乏,到如今在国际舞台上崭露头角,一项项关键技术的攻克、一个个核心部件的研制,都凝聚着无数科研人员的智慧与汗水。他们远离繁华喧嚣,扎根科研一线,面对一次次实验失败毫不气馁,反复钻研、不断改进,用坚定的信念和顽强的毅力,铸就了今日的辉煌。
我国在核聚变领域的持续奋进,不仅为自身能源安全和可持续发展筑牢根基,更是向世界彰显了中国科技的雄厚实力与无限潜力。如今,我们正以领跑者的姿态,向着可控核聚变的终极目标大步迈进,不断拓展人类认识自然、利用自然的边界。
作为关注科技进步的热心读者,相信你也为我国“人造太阳”的卓越成就深感自豪。让我们继续携手关注前沿科技动态,为中国科研加油助威,共同期待那清洁能源普照大地的美好未来!