《重大突破!我国掌握可控核聚变高约束先进控制技术》

  • 来源专题:能源情报网信息监测服务平台
  • 编译者: guokm
  • 发布时间:2023-08-28
  • 8月25日下午,新一代人造太阳“中国环流三号”取得重大科研进展,首次实现100万安培等离子体电流下的高约束模式运行,再次刷新我国磁约束聚变装置运行纪录,突破了等离子体大电流高约束模式运行控制、高功率加热系统注入耦合、先进偏滤器位形控制等关键技术难题,是我国核聚变能开发进程中的重要里程碑,标志着我国磁约束核聚变研究向高性能聚变等离子体运行迈出重要一步。

    为实现聚变能源,需要提升等离子体综合参数至聚变点火条件。磁约束核聚变中的高约束模式(H模)是一种典型的先进运行模式,被选为正在建造的国际热核聚变试验堆(ITER)的标准运行模式,能够有效提升等离子体整体约束性能,提升未来聚变堆的经济性,相较于普通的运行模式,其等离子体综合参数可提升数倍。

    可控核聚变作为面向国家重大需求的前沿颠覆性技术,具有资源丰富、环境友好、固有安全等突出优势,是目前认识到的能够最终解决人类能源问题的重要途径之一,对我国经济社会发展、国防工业建设具有重要战略意义。可控核聚变是我国核能发展“热堆—快堆—聚变堆”三步走战略体系的重要组成部分,是解决国家能源需求、助推“双碳”目标实现、促进能源新体系构建和保障国家能源安全的关键科技变量。

    在实现百万安培等离子体电流高约束模式运行的基础上,新一代人造太阳“中国环流三号”团队,将进一步发展高功率加热和电流驱动、等离子体先进运行控制等核心技术,实现堆芯级等离子体运行,研究前沿聚变物理,为我国开展聚变燃烧实验、自主建造聚变堆奠定坚实基础。

  • 原文来源:https://www.in-en.com/article/html/energy-2326798.shtml
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    • 来源专题:中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2019-08-28
    • 近日,美国能源部(DOE)下属的橡树岭国家实验室(ORNL)宣布称,利用超级计算机的超级算力及人工智能,该实验室解决了目前可控核聚变规模化面临的一项重要问题,人工智能能够有效预测核聚变反应等离子体的不稳定性活动,为可控核聚变反应提供了预警时间,有望推动可控核聚变的商用进程。 一直以来,可控核聚变技术是世界各国争相研究的热点之一。核聚变反应是太阳能量的主要来源,建造可控的核聚变装置将帮助人类实现对这一能源高效利用,“人造太阳”的科技突破则将为人类带来源源不断的清洁能源。 就目前科学进展来看,可控核聚变实验的首要挑战就是实现高温聚变等离子体的稳定供能。等离子体是一种高温离子及自由电子的混合体,核聚变反应过程中将形成高温等离子体,这也正是核聚变反应的能量来源。如何让等离子体保持稳定的能量生产状态,是当前人类社会实现可控核聚变的重要一环。 在最新研究中,ORNL实验团队利用超级计算机的超级算力,运用人工智能算法对等离子体的活动进行了预测,为未来核聚变装置的有效控制和优化打下了基础。 ORNL撰文指出,核聚变过程中等离子体的破坏能够在顷刻间发生,为维持等离子体稳定性,提前预警并采取相应措施将变得尤为重要。该实验负责人BillTang表示,这一算法是目前最为准确有效的预测,在核聚变等离子体“崩塌”前提供足够的预警时间,科研人员能够利用这一事件对等离子体降温,或找到避免“崩塌”的方法。一旦运用到实践中,将有望为科研人员提供足够的应急响应时间。 据了解,这一项实验成果使用了目前全球两大托克马克装置DIII-D及欧洲联合环状反应堆(JET)现有的实验数据。美国DIII-D托卡马克装置建成于1980年,而JEC则建成于1983年,近几十年来可控核聚变研究热度不减,由全球七个国家参与的国际热核聚变实验反应堆(ITER)则计划在2025年开始等离子体实验。 美国科普杂志《科学美国人》曾撰文指出,利用可控核聚变反应可能有望解决当前全球变暖的问题,核聚变能量将消除人类对化石能源的依赖,并克服可再生能源不稳定性的缺点。更为重要的是,核聚变能源将不会像核裂变一样产生危险的核辐射。同时,自然界中存在大量核聚变所需的原料,海水中氢的同位素将取之不尽。 可控核聚变作为未来能源中“最有潜力”的一环,近几个月来,欧美国家也在不断“加码”这一科研领域的投入。 据英国《镜报》消息,8月12日,新上任的英国首相鲍里斯·约翰逊(BorisJohnson)宣布在“脱欧”后,将为位于英国牛津郡的核聚变研究机构CulhamScienceCentre持续提供资金支持。 自英国宣布“脱欧”以来,业内人士就对英国未来科学研究表示了担心,但一向支持“硬核脱欧”的鲍里斯却对可控核聚变领域尤为关注。 CulhamScienceCentre作为英国原子能管理局旗下科研机构,是国际核聚变研究机构ITER的核聚变研究工作。据了解,超过350名科学工作者及工程师参与该实验室项目,欧洲原子能共同体(Euratom)每年为该机构的核聚变研究提供数千万英镑的研究经费,一旦英国实现“无协议”脱欧,该机构可能不得不退出Euratom,科研经费则可能面临中断。 为此,鲍里斯在参观这一研究所后,立即宣布将为英国科研“超负荷充电”,维持这一研究机构的资金来源,并宣布将为欧盟国家科学家提供快速签证,保证科研交流往来。 另外,美国对核聚变研究的科研支持也热度不减。今年7月底,位于美国圣地亚哥的托卡马克实验室DIII-D宣布收到美国能源部1400万美元科研经费,这一资金将继续支持开发、探究和维持高温聚变等离子体的方法。 美国科学部副部长PaulDabbar公开表示称:“核聚变仍然是世界上最有希望的潜在能源之一。这项旨在实现核聚变反应堆稳态运行的研究,将是聚变向可持续能源发展道路上的一个重要里程碑。”
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    • 来源专题:能源情报网信息监测服务平台
    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2022-12-15
    • 美国能源部13日宣布,美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)的国家点火装置(NIF)首次实现了所谓的“能量净增益”,即核聚变反应产生的能量超过输入的能量。美国媒体对此给予高度称赞,将其形容为“帮助人类在实现零碳排放能源的进程中迈出关键一步”。长期以来,可控核聚变被视为解决人类能源供应问题的终极解决方案。美国在该领域取得的这项重大突破,是否意味着人类即将彻底解决能源危机? 清洁能源的“圣杯”? 根据美国能源部和国家核安全局发布的联合声明,NIF一直在尝试用高能激光轰击核聚变材料,借助激光产生的高温高压实现核聚变。12月5日,该研究团队将2.05兆焦的激光聚焦到核聚变材料上,产生了3.15兆焦的能量,能量增益首次大于1,达到了“点火”标准。 美国有线电视新闻网(CNN)称,尽管单从数据上看,这次实验产生的能量“只够烧开10壶水”,但它的意义非常重大。根据核聚变反应的劳森准则,当核聚变的能量产出率大于能量损耗率,并且有足够的能量被系统捕获和利用,就可以被称为“点火成功”。但在过去几十年中,这一直是科学家们未能实现的梦想。NIF从2010年开始正式的点火实验,用了10多年时间才梦想成真。 科学家在美国国家点火装置内部进行检查。 中国工程院院士杜祥琬14日接受《环球时报》记者采访时解释说,美国此次公布的“激光可控核聚变点火实验”可以通俗地理解为,NIF设置了一个“小靶子”,“靶子”中有热核材料,然后利用高能激光照射“小靶子”,点燃里面的热核材料产生核聚变,最后输出的能量就是核聚变能。这次实验实现了“产生的核聚变能大于输入的激光能”,这是一个重大的进步,具有科学意义,但是离实现高增益还有距离。 杜祥琬还指出,该实验的定位也不是商用的能源装置,美国此次开展的激光能可控核聚变,根本目的是研究核武器相关的物理问题。 据介绍,美国国家点火装置由美国能源部下属管理核武器的国家核安全局负责运行,它的主要任务是实现能产生高能量的聚变反应,并为美国核武器储备的维护提供指导。这可以帮助美国绕过因《全面禁止核试验条约》而停止的地下核试验,转而以较小的规模进行核反应实验,并从中收集数据。LLNL的武器物理和设计项目主任马克·赫尔曼表示,该实验本身就创造了非常极端的环境,更加接近于核武器爆炸。 现在有两条技术路径 据国际原子能机构的定义,核聚变反应是较轻的原子核结合成较重的原子核,这一过程会释放出巨大能量。尽管人类早就通过氢弹验证了核聚变蕴含的巨大能量,但在可控核聚变方面却始终进展缓慢,这是因为核聚变需要极高的温度和压力条件才能进行。 杜祥琬介绍说,为实现核聚变的条件,当前可控核聚变主要分为两条技术路径。其中之一是高功率激光作为驱动器的惯性约束核聚变,代表就是美国国家点火装置。它是世界上最大的激光装置,造价高达35亿美元,可以动用近200台激光器产生的高能激光集中轰击一个微小的核聚变材料靶标,以启动核聚变反应。杜祥琬透露,中国也有类似的高能激光装置。公开材料显示,中国科学院与中物院联合研制的“神光II”型高能量聚变激光器已于2000年建成投入运行。 而另一条技术路径是磁约束聚变,即用磁场约束超高温和高压的聚变物质。这个路线的主攻方向是托卡马克装置。杜祥琬表示,其典型代表是位于法国南部的“国际热核聚变实验堆(ITER)”,中国是这项计划的重要参与国。此外中国还在合肥、成都建造有自己的托卡马克装置,它们承担的就是开展获取可控核聚变能源的实验。 杜祥琬表示,对于可控核聚变的两种不同技术路线,学界的主流认识认为,托卡马克装置离实现商用级可控核聚变更有希望。 距离实用化还有多远? 美国能源部部长格兰霍姆表示,核聚变的商业化或许可能会在未来的“几个十年”内实现,大概率不会是之前预计的“五六十年”,但科学界普遍对于可控核聚变的商业化前景持谨慎态度。英国《金融时报》称,尽管该实验产生的能量比激光器输入的能量高,但光是激光器运行就需要约300兆焦的能量,就整个系统而言,产生的能量仍微不足道。此外,从聚变热能转化为电力的过程中还会有能量损失,“因此可以说,国家点火装置的实验结果是一项科学上的成功,但离提供可用的、充足的清洁能源还有很长一段路要走。”美国《华盛顿邮报》称,如果要制造足够大的设备大规模产生核聚变能量,将需要极其难以生产的材料。同时,反应产生的中子会给设备带来巨大压力,令其在反应过程中被摧毁。 杜祥琬表示,人类离实现可控核聚变的实用化,也就是造出所谓的“人造太阳”,现在还有距离,但要强调的是,人类离实现这一愿景并没有原理性的障碍,我们已经看到全人类为实现这一目标取得了许多技术进步和突破。“至于还要多久才能实现这一目标,有业内专家认为还需要二三十年,我认为可能需要的时间更长一点,相关领域专家曾对我说过一句话,核聚变能发电,点燃的第一盏灯会在中国亮起,对此我很赞赏,相信本世纪我们一定可以实现这一梦想。”