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“中國環(huán)流三號”等離子體運行畫面。（中核集團(tuán)供圖）
不久前，新一代人造太陽“中國環(huán)流三號”取得重大科研進(jìn)展，首次實現(xiàn)100萬安培等離子體電流下的高約束模式運行，再次刷新我國磁約束聚變裝置運行紀(jì)錄，突破了等離子體大電流高約束模式運行控制、高功率加熱系統(tǒng)注入耦合、先進(jìn)偏濾器位形控制等關(guān)鍵技術(shù)難題，標(biāo)志著我國磁約束核聚變研究向高性能聚變等離子體運行邁出重要一步。
磁約束聚變穩(wěn)態(tài)運行可實現(xiàn)能量穩(wěn)態(tài)輸出
萬物生長靠太陽。太陽之所以發(fā)光發(fā)熱，是因為內(nèi)部的核聚變反應(yīng)。實現(xiàn)核聚變的原材料在地球上極豐富，如果能造一個“太陽”發(fā)電，人類有望實現(xiàn)能源自由。而人造太陽擁有類似太陽的運行機(jī)制，可利用核聚變反應(yīng)產(chǎn)生巨大的能量。
可控核聚變具有資源豐富、環(huán)境友好、固有安全等突出優(yōu)勢，是目前認(rèn)識到的能夠最終解決人類能源問題的重要途徑之一。
“中國環(huán)流三號”由中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院自主設(shè)計、建造。中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院副研究員肖國梁介紹說，可控核聚變以約束方式分類主要有3種，分別為以太陽為例的引力約束聚變、以激光聚變?yōu)榇淼膽T性約束聚變、以托卡馬克裝置為代表的磁約束聚變。
磁約束聚變是一種利用磁場，將聚變?nèi)剂现械牡入x子體約束在空間中的技術(shù)。托卡馬克裝置是進(jìn)行可控核聚變研究的主流裝置，其利用強(qiáng)磁場把上億攝氏度的等離子體長時間控制在真空容器里，并使聚變反應(yīng)穩(wěn)定持續(xù)地進(jìn)行。
“磁約束核聚變中的高約束模式（H模）是一種典型的先進(jìn)運行模式，被選為正在建造的國際熱核聚變試驗堆（ITER）的標(biāo)準(zhǔn)運行模式?！毙赫f，這種方式未來能通過穩(wěn)態(tài)運行實現(xiàn)穩(wěn)定的能量輸出，也是目前最有望率先實現(xiàn)聚變能利用的途徑。
人造太陽實現(xiàn)超大電流高約束運行
衡量核聚變裝置及核聚變研究水平有3個參數(shù)：燃料的離子溫度、等離子體密度和能量約束時間，只有3個參數(shù)的乘積超過特定數(shù)值，才能夠?qū)崿F(xiàn)真正的核聚變。未來聚變堆裝置通常都在100萬安培以上穩(wěn)定運行，以實現(xiàn)更高的聚變參數(shù)，并輸出能量。
為實現(xiàn)聚變能源利用，需要提升等離子體綜合參數(shù)至聚變點火條件，即實現(xiàn)實驗輸出能量超過輸入能量。肖國梁介紹說，相較于普通運行模式，磁約束核聚變中的高約束模式（H模）可使等離子體綜合參數(shù)提升數(shù)倍，有效提高等離子體整體約束性能。
“100萬安培等離子體電流高約束運行，可以理解為高約束模式能夠更好地將100萬安培電流的等離子體抓住在磁場中進(jìn)行反應(yīng)，從而獲得更高的聚變等離子體參數(shù)。”肖國梁介紹說，這是一個聚變裝置綜合能力的體現(xiàn)，包括等離子體位形控制能力、高功率加熱能力、裝置壁處理技術(shù)，裝置加料技術(shù)，不穩(wěn)定性控制技術(shù)，以及先進(jìn)診斷測量技術(shù)等眾多技術(shù)攻關(guān)的成果。
據(jù)了解，核聚變能商用時間預(yù)計在本世紀(jì)中葉。肖國梁介紹說，“中國環(huán)流三號”團(tuán)隊將進(jìn)一步發(fā)展高功率加熱和電流驅(qū)動、等離子體先進(jìn)運行控制等核心技術(shù)，實現(xiàn)堆芯級等離子體運行，加速聚變能開發(fā)進(jìn)程。（記者張英賢）
責(zé)任編輯：胡惠雯
