中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院首席專家、ITER增強(qiáng)熱負(fù)荷第一壁項(xiàng)目負(fù)責(zé)人諶繼明
太陽(yáng)通過(guò)核聚變反應(yīng)釋放光和熱，科學(xué)家們希望利用該原理，為人類開(kāi)發(fā)一種源源不斷的清潔能源。因此，在地球上以探索清潔能源為目的的可控核聚變裝置又被形象地稱為“人造太陽(yáng)”。核聚變?nèi)剂峡蓙?lái)源于海水，取之不盡用之不竭，足夠人類使用上百億年。核聚變能源也被譽(yù)為人類未來(lái)的理想清潔能源。
2022年11月，全球最大“人造太陽(yáng)”核心部件“防火墻”在中國(guó)取得重大進(jìn)展，國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃增強(qiáng)熱負(fù)荷第一壁完成首件制造，標(biāo)志著中國(guó)實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)核心科技領(lǐng)跑，有力提升了我國(guó)在該領(lǐng)域的話語(yǔ)權(quán)。中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院首席專家、國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER第一壁關(guān)鍵部件研制項(xiàng)目中方負(fù)責(zé)人諶繼明接受了中新網(wǎng)采訪，講述中國(guó)如何打造全球最大“人造太陽(yáng)”的硬核“防火墻”。
如何實(shí)現(xiàn)“人造太陽(yáng)”?
國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)增強(qiáng)熱負(fù)荷第一壁完成首件制造
諶繼明介紹，“人造太陽(yáng)”的研究可以追溯到20世紀(jì)50年代前，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)核聚變最基本原理后，各國(guó)逐漸開(kāi)展了相關(guān)研究。由于研究難度巨大，20世紀(jì)80年代，多方聯(lián)合提出建立全球最大的“人造太陽(yáng)”裝置，ITER計(jì)劃全球聯(lián)合建設(shè)拉開(kāi)帷幕。
目前，共有30多個(gè)國(guó)家參與ITER項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、研發(fā)、建設(shè)及后期的裝置的運(yùn)行，形成共有的技術(shù)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)，為下一代“示范堆”奠定基礎(chǔ)。諶繼明表示，中國(guó)承擔(dān)了ITER項(xiàng)目的18個(gè)制造任務(wù)，其中包括真空室內(nèi)部件第一壁、磁體支撐系統(tǒng)等核心部分。
核聚變研究難度大的原因在于其反應(yīng)條件嚴(yán)苛。“氘氚聚變是最常見(jiàn)且最易實(shí)現(xiàn)的核聚變方式，但只有在1億攝氏度以上的極高溫條件下，氘、氚等輕原子核才能夠碰撞聚合，釋放出巨大的能量。”諶繼明解釋，當(dāng)溫度、密度和維持時(shí)間都達(dá)標(biāo)才能實(shí)現(xiàn)核聚變點(diǎn)火，同時(shí)還需要實(shí)現(xiàn)高溫下的控制才能有效輸出核聚變能量。“因此，ITER裝置由主機(jī)和用于發(fā)電的外圍兩大系統(tǒng)組成，其中主機(jī)系統(tǒng)更為復(fù)雜。”
怎樣打造“人造太陽(yáng)”的“防火墻”?
國(guó)際專家來(lái)到中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院交流
由于“人造太陽(yáng)”所發(fā)生的核反應(yīng)需要上億攝氏度高溫下進(jìn)行，這就需要一個(gè)潔凈的高真空環(huán)境，即大型環(huán)形真空室。經(jīng)研究，科學(xué)家們采用“甜甜圈”狀的托卡馬克可控?zé)岷司圩冄b置，通過(guò)將高溫高壓的等離子體約束并懸浮在環(huán)形空間內(nèi)部，以達(dá)到核聚變反應(yīng)的環(huán)境并實(shí)現(xiàn)控制。
而在此裝置中，直接面對(duì)極強(qiáng)熱輻射的第一壁便是最重要的核心技術(shù)之一。諶繼明介紹，第一壁發(fā)揮了巨大的作用，它要限制等離子體越界的同時(shí)保護(hù)外圍設(shè)備不被高溫?fù)p傷，還要把核聚變反應(yīng)釋放的能量帶出來(lái)，用于外圍儲(chǔ)能發(fā)電。
ITER第一壁內(nèi)側(cè)增強(qiáng)熱負(fù)荷部件是中國(guó)承擔(dān)設(shè)計(jì)、研發(fā)、制造的關(guān)鍵部件之一。整個(gè)660平方米的真空室第一壁表面由440個(gè)部件組成，其中中國(guó)承擔(dān)的部分占比12%，是制造難度最大的部件之一，其接受的表面熱輻射達(dá)到每平方米4.7兆瓦，相當(dāng)于太陽(yáng)照射地球表面熱量的4700倍。憑借50多年可控核聚變研究經(jīng)驗(yàn)，核工業(yè)西南物理研究院成為該“防火墻”的“承建商”。為保證質(zhì)量且按時(shí)提交部件，中國(guó)經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展和趕超，解決了材料加工、制造、連接等方面的多項(xiàng)技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)ITER關(guān)鍵部件研發(fā)的實(shí)質(zhì)性工程突破。
何以在未來(lái)繼續(xù)領(lǐng)跑?
中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院ITER增強(qiáng)熱負(fù)荷第一壁項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)正在攻堅(jiān)克難
隨著原型件所有手指的制造和最終的裝配推進(jìn)，2022年11月，ITER增強(qiáng)熱負(fù)荷第一壁完成了首件制造，初步檢測(cè)表明該部件的核心指標(biāo)優(yōu)于設(shè)計(jì)要求，具備了批量制造的條件。諶繼明指出，這也標(biāo)志著中國(guó)全面突破了“ITER增強(qiáng)熱負(fù)荷第一壁”的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)核心科技的全球領(lǐng)跑，為下一階段的批量生產(chǎn)，按期按質(zhì)按量向ITER國(guó)際組交付產(chǎn)品，保障ITER裝置的順利運(yùn)行提供了條件。
要保證核聚變進(jìn)行的潔凈環(huán)境，就需要真空室內(nèi)所有部件不能有冷卻劑泄漏。“如果等離子體和核聚變被污染，反應(yīng)便不可持續(xù)。”諶繼明介紹，因此，2018年，團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)了一項(xiàng)模擬聚變實(shí)際運(yùn)行工況的氦檢漏技術(shù)，在250攝氏度高溫和4個(gè)兆帕，即40個(gè)大氣壓的高壓情況下進(jìn)行檢測(cè)。在科技部的支持下，團(tuán)隊(duì)成功研制了全球首項(xiàng)能夠檢測(cè)部件且檢測(cè)結(jié)果達(dá)到ITER要求的技術(shù)，并向ISO國(guó)際組織提出申請(qǐng)，成功立項(xiàng)一項(xiàng)聚變堆承壓部件高溫高壓熱氦檢漏方法的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。
“這是全球核聚變領(lǐng)域的中國(guó)智慧，意義重大。”諶繼明表示，這一由中方牽頭推薦的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)將成為全球核聚變領(lǐng)域的首個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，為核聚變工程領(lǐng)域做出貢獻(xiàn)。“希望我們按期甚至提前交付部件，及早地履行我們的國(guó)際的承諾，共同助力‘人造太陽(yáng)’早日從理想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。”諶繼明說(shuō)。
