我国热核聚变核心部件获重大突破

2017/2/15 13:42:51

金属铍是放在反应堆内直接面对高温聚变材料的，如果它和铜合金的贴合不够紧密，就无法达到隔热防护的效果。中国科研人员想到了全新的办法。  
    近日，一则关于“人造太阳”的消息登上了央视新闻，也刷爆了朋友圈。许多人有疑问，太阳还可以制造？其实，这颗“太阳”是我国在国际热核聚变项目上的重大突破，由于太阳是我们在自然界目前能看到的最大核聚变体，所以形象地称为“人造太阳”。那么，这颗“太阳”是如何诞生的呢？
　　核聚变：未来能源问题的希望
　　核聚变是核能的一种重要形式之一，有人甚至说，如果掌握了核聚变技术，将对人类发展起到深远的影响。那这究竟是一种什么样的能源呢？
　　核能是通过核反应从原子核释放的能量，目前，我们常见的核电站，利用的就是这样的能量。只不过，目前核电站主要是把比较重的原子分裂成较轻的原子而释放能量，这个反应过程就被称为核裂变。而正处于研究阶段的核聚变，则正好相反。
　　“核聚变是较轻元素的原子聚合在一起，生成较重元素的原子，它同时要释放出能量。”核工业西南物理研究院副院长段旭如说。
　　和普通能源相比，核聚变的优势明显，首先，燃料的来源非常丰富。一升海水里面的氘，如果它全部聚变反应的话，产生的能量相当于燃烧300升汽油产生的能量。
　　“人造太阳”项目一旦实现，人类能源枯竭问题将得到改善。只要往设备中不断输入氘和氚，在里面发生聚变反应，它就能源源不断地释放出能量，而氘、氚可以从海水中提取，廉价而且数量丰富。
　　段旭如说，目前还有很多挑战没有解决，靠一个国家的实力来攻克，现在还有难度。正因如此，1985年，国际上开始倡议多国共同合作开展受控核聚变反应堆的研制工作，这就是后来的ITER项目。
　　中国智慧让材料承受“太阳”高温
　　我国从2006年开始正式参与到国际热核聚变实验堆的项目，而此次通过认证的反应堆核心材料，直接面对高温聚变物质，因而被成为反应堆的“第一壁”。
　　ITER的设计方案要求，第一壁要承受每平米4.7兆瓦的热量，这几乎可以瞬间将一公斤的钢铁融化。可以说是难度最高的技术之一。如果这些材料性能不佳，要么就被高温瞬间融化，要么会让反应堆这座锅炉熄灭。为此，研制人员想到了一种特殊的结构，把热量及时地传走。
　　在核工业西南物理研究院第一壁生产车间，有一块看上去像三明治一样的材料，底下是不锈钢，中间是铜合金，上面则是特殊的高纯度金属铍。金属铍是放在反应堆内直接面对高温聚变材料的，如果它和铜合金的贴合不够紧密，就无法达到隔热防护的效果。国外专家试图用普通焊接的方法解决这个问题，但试验终告失败。而中国的科研人员想到了全新的办法。
　　“把它放在一个真空的包装套里头，放在这个热等静压机器设备里头，然后灌注氩气，不断地给它进行加压和加温。材料之间就会在高温和高压情况下进行结合。”核工业西南物理研究院第一壁生产车间负责人杨波说。
　　杨波和同事们想到的这个办法，类似于把材料放到一个高压锅里，靠压力和温度把两个材料烧在一起。理论上行得通，但实际做起来，加多少压、用多高的温度出来的材料才能完美无瑕，都需要一次次试验来验证。一次次的打击让研究团队沮丧失望，但没有任何人提出过放弃。
　　“我们没有绝望的时候，只是觉得它肯定有什么地方不对，过程控制好，我们相信绝对会成功。”杨波说。
　　三年的刻苦攻关，科研人员终于烧制出了完全合格的产品。在国外机构的测试中，这套工艺制造出来的材料，经历了7500次的高低温循环，甚至在高于考核标准的热量考验下都一次通过了测试。这样的成就，让杨波和同事们感受到了整个项目合作中的变化。
　　“以前我们跟别人交流，是想看别人到底有什么成功的经验。现在反过来，有很多国外同事向我们打听，你们是什么地方做得好。”杨波说。
　　不断突破的中国技术
　　在参与国际合作共同研制核聚变装置的同时，我国自主的核聚变研究也在加速推进，并且建成了一批具有国际一流水平的核聚变试验装置，例如中国环流器二号A。
　　核聚变反应需要把核燃料加热到上亿度的高度，这个温度足以把地球上任何的材料瞬间汽化，那么，用什么盛放这些材料就成了问题。科学家们想到用磁场把这些材料束缚起来，让它们乖乖地在一个环形的空间里飞行而不和材料接触，因此，全新的反应堆芯结构就此诞生。
　　中国环流器二号A，它就相当于是未来的核聚变反应堆的一个雏形，而它身上的很多技术都标志着中国的核聚变研究达到了世界领先的水平。
　　正是有了这样强大的能力，中国环流器二号A将我国核聚变试验装置能够实现的温度大幅提高，并在多个国际核聚变研究的前沿领域得到了大量开创性的成果，而它本身，也是中国参与国际核聚变合作的重要平台。“通过参加ITER计划，我们要掌握未来聚变堆怎么设计，对未来自主建造聚变堆也有很大的促进作用。”段旭如说。本报综合报道
　　一颗清洁的“太阳”
　　通俗地讲，所谓“人造太阳”，是指受控核聚变，是以探索无限而清洁的核聚变能源为目标。不过“人造太阳”完全不同于裂变核电站，它采用的原料是氢和它的同位素氘，这种原料本身就没有辐射性，虽然聚变过程中等离子体碰撞产生中子是一种辐射，但它是短暂的，一旦放电结束就不会再产生中子，且放电过程中产生的中子也是可以防护的，通常它们都不能穿过1.5米厚的墙。
　　另一个方面，它的环境可接受性比较好，因为聚变反应，产生的产物是氦，氦本身不具有放射性。另外核聚变反应不产生温室气体及核废料。
　　从长远来看，核能将是继石油、煤和天然气之后的主要能源，一旦核聚变电站成功运行，带给世界的变化将是革命性的。减少石油、煤等化石燃料开采和燃烧带来的污染，全球变暖、南极冰面萎缩、海岸线增高等一系列现在人类头疼的问题将会得到改善。它将给人类带来清洁的能源，就像太阳带给我们的一样。