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中俄科学家共同解密“人造小太阳”——托卡马克


2020-11-20 17:43:22来源: 科技日报 作者: 何沛苁

“我是来自俄罗斯阿尔汉格尔斯克一中的铁木尔,今天看到了中国的EAST,简直太酷了,我非常喜欢!”

“我是内蒙古呼伦贝尔根河市阿龙山小学的曲灏,没想到科学家叔叔真得回答了我的问题,真是太开心了!”

“我知道什么叫核聚变能了,也认识了托卡马克。我长大了也要当科学家,和酷酷的实验仪器在一起,发明出很多很多东西来。”

……

甘肃省平凉市崆峒区草峰镇中心小学学生收看大师课

甘肃省礼县罗坝镇中心小学学生收看大师课

云南省荷花镇中心小学学生收看大师课

在中俄科技创新年期间,“青少年科技素养提升计划系列情景大师课”特别选择1120日“世界儿童日”这天,为中俄两国的孩子们送上节日礼物,邀请中俄两国的科学家解密“人造太阳”,了解人类实现“可控核聚变”的艰难历程!

据了解,由科技部国际合作司指导的“青少年科技素养提升计划系列情景大师课”第六堂线上直播课——与中俄科学家一起“种太阳”,吸引了来自俄罗斯、中国河南、广西、甘肃、云南、内蒙古、贵州、重庆等全国各省、市、自治区的青少年观看。科技日报、学习强国、中国日报、人民日报、央视网、中俄头条客户端、俄罗斯卫星通讯社、美国ODK台湾中时新闻网、柬埔寨柬中时报等40多家境内外主流媒体对此次大师课进行了报告, 俄罗斯事儿君、微博科普等微博大咖对此次大师课进行全网联动。

“三好生”核聚变,控制它绝非易事

地球万物生长所依赖的光和热,源于太阳核聚变反应后释放的巨大能量。太阳已经源源不断地给地球输入能量数十亿年,并且还能再持续数十亿年。科学家们大开脑洞、不断钻研,通过模仿太阳产生能量的过程——将氢同位素聚合成氦,释放出取之不竭的核聚变能源,让童谣里唱的“种太阳”逐步变成现实。

“核聚变安全、清洁、高效。核聚变反应过程中几乎不产生辐射,只要断电,核反应立马停止,而且单位核原料产热值也比核裂变高。最重要的是,它的原料非常丰富。核聚变用的燃料主要是氘和氚,这两种元素海水里面多的是,可以供人类使用几百亿年。”中国科学院等离子体物理研究所研究员吴维越介绍道。

听起来唾手可得的能源,实施起来却绝非易事。吴维越说:“操控核聚变可以说非常非常难,它必须满足三个方面:超高温、高压和维持足够的时间。氘和氚的混合气体必须在超过一亿度的高温下,才能使原子核和电子分开,处于这种状态的物质称为等离子体。在足够的高压下,原子核才能克服相斥的力,大规模核聚变才会发生;高温和高压还必须维持一定的时间,核聚变才会持续。”

而人类已知熔点最高的钨,只有3000多度,找到能耐一亿度高温的装置简直是天方夜谭。人类的智慧无穷无尽,将不可能变为可能。1958年,苏联公布了自己的研究成果——托卡马克,一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器。

“Tokamak(托卡马克)由toroidal(环形)、kamera(真空室)、magnet(磁)、kotushka(线圈)组成。装置的周围有一圈电流环,通电后产生强大的磁场,磁场像一圈一圈的跑道,将超高温状态下的等离子体围在跑道内,等离子体在跑道内不停奔跑、发生碰撞,既不会与装置接触还能释放大量的能量。是目前最被广泛使用的可控核聚变装置。”吴维越说道。

“甜甜圈”托卡马克,讲述中俄创新故事

“我们眼前这个外形酷似甜甜圈的超导托卡马克装置HT-7,是1990年前苏联库尔恰托夫原子能研究所赠送给中国的首台超导托卡马克装置,2012年正式退役。当时我们国家在核聚变领域还是落后于国际水平的,正是这台托卡马克,为我国的聚变研究步入世界前沿做出了重要贡献。”在中国科学院等离子体物理研究所EAST大厅前,吴维越指着HT-7感慨道。

本次“大师课”在线联系了库尔恰托夫研究所-国家研究中心主任亚历山大·耶弗格尼维奇·布拉果夫,为大家讲述了中俄之间的创新合作故事:

T-7HT-7更名前)是中国朋友非常了解的,是首台使用超导元素制造的托卡马克。T-10,使用了回旋管,温度升到了1亿摄氏度。再是T-15,主要特点是应用了铌三锡和特殊的环形冷却,这也是新一代托卡马克的原型。最近我们正在研究的一个项目是T-15MD,有望在年底完成。研究托卡马克是研究等离子体所必须的,包括对温度的研究,对整个领域的研究都非常重要。”

“实际上,中俄之间的合作可以概括为历史悠久、经验丰富、前景广阔。我们双方只要精诚合作,完全可以取得重大成果。”布拉果夫评价道,“例如,国际热核聚变实验堆项目(ITER)是很多国家都在参与的一个大型项目,中国和俄罗斯都是积极的参与者。中俄两国不仅投入了大量资金,事实上,中国和俄罗斯的投资总和超过了项目总投资的10%。我们还投入了人力、技术和独一无二的设备。中俄两国的潜力是巨大的。”

中国的“人造小太阳”——EAST东方超环

“哇,好大,好帅!”高11米、直径8米、重400吨!这个庞然大物刚一出场,就收获了小朋友们的一片赞叹声。

“这是由我国科学家完全自主建造起来的,世界上第一台全超导磁约束聚变装置,它的英文名字叫experimental advanced superconducting tokamak,简称EAST,中文名字则为东方超环。中科院等离子体物理研究所研究员、托卡马克物理实验研究室副主任钱金平介绍道。

据了解,东方超环EAST由超高真空室、纵场线圈、极向场线圈、内外冷屏、外真空杜瓦、支撑系统等六大部件组成。其实验运行需要有大规模低温氦制冷、大型高功率脉冲电源及其回路、大型超导体测试、大型计算机控制和数据采集处理、兆瓦级低杂波电流驱动和射频波加热、大型超高真空、以及多种先进诊断测量等系统支撑。学科涉及面广,技术难度大,许多关键技术目前在国际上尚无经验借鉴。特别是EAST运行需要超大电流、超强磁场、超高温、超低温、超高真空等极限环境,从芯部上亿度高温到线圈中零下269度低温,给装置的设计、制造工艺和材料方面提出了超乎寻常的要求。

“实现这个装置的运行,有几个关键点,也是难点:一是超高温度,为了实现核聚变条件,等离子体核心温度要达到1亿摄氏度甚至更高;第二个是超强磁场,EAST的等离子体中心场强可以达到3.5T,大约是地磁场的10万倍;第三就是超大电流,EAST线圈中运行的最大电流可达16000安培;第四点是超导,普通的导线已经不能用来承载这么大的电流了,只有超导才能保证较细的导线也可以承载非常大的电流;第五就是超高真空,EAST的核心真空可以维持在10e-6 Pa,相当于我们平时感受到的大气压的一千亿分之一。”钱金平告诉大家。

此外,EAST装置真空运行值班长、工程师黄明,还为我们展示了他平时的工作内容:“每次实验前和实验中,我们都要24小时不休息检查装置的真空运行情况,不能有漏气的地方,这是一点都不能马虎的。”

争当科学“小问号”,互赠礼物情意长

“科学家叔叔你好,人造太阳会不会让地球变热?”

“这个太阳可以变小,方便带到环境恶劣的地区去发电吗?”

“核聚变的能量除了发电还有什么用途?”

“我们什么时候可以用上聚变能源?”

……

好问题是探索的起点,是通往知识大门的一把钥匙。在本次大师课最后的现场问答环节中,科学家与两国的孩子们积极互动,耐心解答,通过一个个问题让孩子们了解这个对成人来说都很神秘的科学大装置。

此外,两国的小朋友还通过网络互赠礼物、送上祝福,让中俄两国的友谊传承下去。

“这是我做得剪纸作品,右边是代表中国的大熊猫,左边是代表俄罗斯的传统工艺品套娃,我用火箭将他们连接在一起。我要把它送给俄罗斯的小朋友,希望我们一起努力,共同学习科学知识。”河南省洛阳市汝阳县上店镇下店小学靳佳鑫说道。

“青少年科技素养提升计划系列情景大师课”源起于“青少年科技素养提升计划”,由中国下一代教育基金会与平安公益基金会共同发起,科技日报社提供媒体支持。近日,“青少年科技素养提升计划”成功入选“中国新媒体扶贫十大优秀案例”,为科技教育扶贫走出一条创新之路。

而实景科普网络课程“青少年科技素养提升计划系列情景大师课”,围绕生命科学、农业科技、航空航天、智能制造、人工智能等前沿领域,通过专家讲解与实景展示的创新方式,为全国孩子们提供丰富的共同学习内容。让更多的孩子足不出户就能云游重点实验基地、中科院所、科技展馆、动植物园、生态保护区等,开阔眼界,学习知识,激发孩子们学习科学的热情。从扶贫的主战场到国际科技合作的新平台,情景大师课在不断的创新。

请大家持续关注“青少年科技素养提升计划系列情景大师课”,课程将每月推出一期,敬请期待更精彩的课程内容!您也可以扫描二维码进行回看。

责任编辑:何沛苁

科技日报     2020-11-21

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