全球最大“人造太阳”为何只能由中国来安装?

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  今年2月底,全球最大“人造太阳”ITER项目与中核集团中核工程牵头的中法联合体签署真空室模块组装合同。

  在成功安装ITER“心脏”设备之后,中核又成为ITER主机安装的唯一承包商。

  核反应,是人类已知最高效的能量制造方式,有核裂变和核聚变两种,对应的武器分别是和氢弹。

  正解局之前介绍过核动力集装箱船,使用的第四代堆型熔盐反应堆就是目前核裂变技术的天花板。

  相对于核裂变,我们最常接触的其实是核聚变,白天一抬头就能看到——太阳每时每刻都在进行着核聚变反应,放出光和热。

  核聚变的原理比核裂变简单,比较轻的原子核,例如氘(D)和氚(T),结合成较重的原子核,例如氦,同时放出巨大能量。

  因为核聚变需要很高的温度,所以人类现在掌握的都是热核聚变技术——从研发路线看,都是先有再有氢弹,因为想要引爆氢弹,必须先引爆一枚。

  氢弹的核聚变,瞬时产生的能量太大,不能用来发电,人类需要的,是可控的热核聚变。

  20世纪50年代,前苏联科学家提出了一个利用超导体产生极强磁场来约束能量的构想,其核心组件被称为托卡马克,用来实现热核聚变。

  1985年,在日内瓦峰会上,美苏欧日共同启动了国际热核聚变实验反应堆计划,即ITER项目,作为结束冷战的标志性行动之一。

  在集合了全球聚变研究成果,耗费了13年时间和15亿美元后,研究设计终于在2001年完成。

  ITER项目最初只有美苏欧日4个成员,后来变为美俄欧日中韩印7个,协作国也扩展到35个。

  时间跨度大,项目难度高,ITER项目被认为是空间站之后最大的全人类共同合作的项目。

  法国在核电方面经验丰富,舍得给钱,外加欧盟在整个项目中掏钱最多,最终获得多数选票。

  日本的热核聚变研究一直处于全球领先地位,出手也阔绰,但有一大硬伤:身处地震带。

  最终,ITER项目选址法国南部海港城市马赛以北约80公里处的圣保罗-莱迪朗斯小镇。

  其一,在安装好的19×11米(62×36英尺)气室中,发现要焊接在一起的砌块接头出现了尺寸错误。

  在设计构想中,聚变需要将超热等离子体中的轻原子元素的原子核压在一起,所以需要将该等离子体由强大的磁力保持在一个托卡马克中,也就是一个密闭的环形室中。

  如果砌块接头尺寸不对,托卡马克可不只是漏点气那么简单,很有可能直接爆炸。

  其二,设计用于保护外界免受核聚变产生的巨大热量影响的隔热板选材上,有数据模拟后发现现有材料有很大的问题。

  隔热板材上密布的冷却管金属很容易在剧烈的温差变化中老化,产生裂纹,并贯穿全管,安全隐患极大。

  时任项目总干事的Pietro Barabaschi就曾用“这将是几个月甚至几年的问题”来表达事情的严重性。

  按照他的估算,因为出现这两个问题,2025年完工已不可能,但似乎仍有望在2035年完成全部计划。

  2006年项目启动时,各参与国以10年为期,共同筹资50亿欧元,没想到这点钱完全不经花。

  2023年初,ITER官方统计,按照目前的项目进度和支出,预估总成本将超过200亿欧元。

  实际上,早在1994年,我国第一个圆截面全超导托卡马克核聚变实验装置EAST“合肥超环”(HT-7)研制成功。

  即便如此,在七个成员国里大部分都没有自己的超导托卡马克装置的情况下,ITER仍然拒绝中国。

  ITER一下子出现了10亿欧元的资金缺口,考虑到中国的“钞能力”,ITER终于同意中国加入。

  中国于2003年1月初表态参加协商后,美国在1月末又宣布重新参加ITER计划。

  杜瓦底座是ITER托卡马克装置中最重要的核心设备,它既是第一个被安装的大型组件,又是所有重要设备的基础,承担着安全屏障的作用。

  如此超高难度的作业,中核集团仅48人的团队就顺利完成了,还顺手打破了中国核能行业大件设备吊装的安装精度记录。

  虽说相比上次,这个“小家伙”只有400吨,但这重量也相当于两架波音747飞机了,尺寸占到ITER托卡马克装置的三分之一,吊装作业的技术难度并不小。

  2021年1月,杜瓦底座冷屏(LCTS)吊装成功,托卡马克装置第三个重大部件的安装完成。

  2021年4月,极向场超导线的成功落位,标志着中国对ITER核心设备的四联吊顺利完成,也标志着国际热核聚变实验堆磁体系统的安装工作全面开启。

  PF6线圈是所有ITER超导磁体中最底层的、重量最大的、制造难度最高的超导磁体之一,也是决定ITER装置运行成败的最重要线圈之一,仅制造就花了七年多,由中科院等离子体物理研究所完成。

  要知道,那时还是疫情中,中国一点都没把事情耽误,展现真正负责任的大国风范。

  日本的JT-60SA只能使用氘(D)作为模拟燃料开展等离子体控制实验,不能直接用来发电。

  我国的方案采用具有发电前景的氘氚(D-T)核聚变反应堆,是迄今为止最接近成功的试验装置和示范装置。

  在合肥,我国先后实现了1兆安、1.6亿度、1056秒的等离子体运行的三大科学目标。

  加入ITER之后,我国不仅补完了课,还把自己的聚变工程实验堆(CFETR)也提上日程。

  在科研方面,中国的核聚变学者和研究机构连续多年获邀在大会作报告,甚至担任会议主席。

  如今,我们与全球120多个聚变研究机构建立了合作,很多研究成果就是在这样的氛围下诞生的。

  中国聚变工程实验堆就不一样了,直接瞄准应用,走实用化,目标是建成世界首个聚变实验电站。

  这不仅能改善我们的生活质量,促进经济发展,还将深远影响国际秩序和地缘政治。