中国“人造太阳”再获突破的重大意义是什么

过往历史证明,科学技术进步已极大改变了人类的生产生活方式。有观察指出,由谁来控制将在人类未来占据主导地位的关键技术,将是大国竞争的焦点之一。而近日中国大科学装置“人造太阳”取得重大突破,或可能刺激中美更广泛的科技竞争。

中国“人造太阳”再获突破的重大意义是什么

中国科学院等离子体所于北京时间11月12日发布消息称,中国“人造太阳”实现加热功率超过10兆瓦,等离子体储能增加到300千焦,等离子体中心电子温度首次达到1亿摄氏度,获得的多项实验参数接近未来聚变堆稳态运行模式所需要的物理条件。

这意味着中国朝着未来聚变堆实验运行迈出了极关键的一步,此次突破将为中国下一代核聚变装置的建设,全球首座核聚变电站——拟建的中国聚变工程试验堆(CFETR),以及国际核聚变清洁能源的开发利用夯实基础。

当下,全球对能源需求日益增大,而随着石油消耗的加剧,高昂的油价、环境污染的压力等使得人类对“清洁能源”的渴求已日趋迫切。“核聚变反应堆比传统的核裂变反应堆要安全得多”,作为未来“清洁能源”一个被多方看好的发展方向,核聚变能源在制造过程中几乎不会产生任何废物,并且有着“取之不尽用之不竭”的优势。

中国“人造太阳”再获突破的重大意义是什么

从上世纪50年代开始,苏联科学家就提出了核聚变的概念。从科学试验层面来说,当质量较小的原子合并成质量较大的原子时,会伴之发生质量减少和能量释放,即核聚变反应。这一过程与太阳产生能量的过程类似,故而受控热核聚变实验装置也被俗称为“人造太阳”。 与核裂变不同,使原子彼此合并发生核聚变,必须使其原子核接近到飞米级,而要达到此距离则需将原子核加热到数千万摄氏度以上,从而使其具有极大动能,以克服电荷间极大的斥力。

亦因此,核聚变反应又被称为热核反应。 较之其他能源,核聚变的燃料供应充足,其能利用的主要燃料氘大量存在于海水中,海水中氘的总量约45万亿吨,按世界消耗的能量计算,海水中氘的聚变能可用几百亿年;另一种核聚变主要燃料氚则可由锂制造,虽说地球上锂的储量比氘少,但从已知储量两千多亿吨来看,人类将其用来进行氘氚反应也足够用。

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虽然核聚变能源有着种种优势,但如何安全、可控地利用聚变能源却是人类数十年来一直在努力,仍未解决的重大课题。 为解决聚变控制问题,世界各地建立了多个聚变实验装置。美、苏、日和欧共体(欧盟前身)在上世纪80年代中期开始筹划建立耗资数十亿欧元的可控核聚变国际合作项目(ITER),旨在建立世界上第一个受控热核聚变实验反应堆,为人类输送巨量的清洁能量。

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中国合肥综合性国家科学中心EAST控制大厅内,科研人员正在进行新一轮的科学实

但受苏联解体和欧、美、日内讧,且各自隐瞒自身关键技术等原因的影响,ITER一直未取得实质性进展。 中国于2003年加入了该计划,并在项目中承担10%的工作量。虽然初期在ITER计划中承担工作量较小,但随着时间的推移,中国在该计划中扮演的角色益发重要。在印度、日本、韩国、俄罗斯、中国、美国和欧盟7个参与方中,ITER的中国籍雇员人数初期是最少的,如今已仅次于欧盟。2016年,由中国研制的热核聚变堆核心部件在国际上率先通过认证。

据传,因担心中国或利用从ITER获得的知识加快CFETR的建设速度,ITER项目的其他6个参与方甚至一度讨论要将中国踢出该国际项目组。但当下的现实是,如果中国不再参与,受多年延迟和巨额超支严重困扰的ITER或将无法继续下去。

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除了参与ITER项目,中国自己也在开发研制核聚变实验装置,并将其命名为东方超环(EAST)。EAST是由中国科学家耗时8年独立设计建造的世界首个全超导核聚变实验装置,于2007年通过国家级验收,并成为可控核聚变国际合作项目ITER最重要和最先进的试验装置。其规模比ITER小,但两者均系全超导非圆截面托卡马克,即两者的等离子体位形及主要的工程技术基础相似,而EAST至少将比ITER早投入实验运行10年至15年。

2012年,EAST获得超过400秒的2,000万摄氏度高参数偏滤器等离子体,获得稳定重复超过30秒的高约束等离子体放电,改写了全球最长时间的高温偏滤器等离子体放电和最长时间的高约束等离子体放电的纪录,实际也意味着中国可控核聚变已代表了国际可控核聚变研究的最高成就;

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2016年11月,EAST成为世界首个实现稳态高约束模运行持续时间达到分钟量级的托卡马克核聚变实验装置;

2017年7月,EAST在全球首次实现了上百秒的稳态高约束运行模式,有西方科学家表示,这已显示中国聚变研究的发展速度已遥遥领先其他国家。 “对其他国家来说,最好的选择是接受甚至支持中国领导聚变研究”, 牛津大学基督圣体学院院长、前英国卡勒姆聚变中心主任史蒂文•考利(Steven Cowley)对媒体作出了如是表示。

中国“人造太阳”再获突破的重大意义是什么

中国拟建的CFETR将在2030年投入运转,最初的发电量为200兆瓦,在随后10年发电量将提升至千兆瓦,超过大亚湾所有商业裂变反应堆的发电量。如果中国成为首个实现聚变技术商业化的国家,其经济、地缘政治优势将更为彰显。

人类身处的这个时代,新一轮科技革命正在加速演进,重大颠覆性技术相继涌现,旧有的世界竞争格局正在重塑。中国对于核聚变反应堆的设计有清晰的路线图,美国担心中国人会赢得未来,特朗普(Donald Trump)政府显然不会乐意看到中国核聚变能源利用这一高技术愿景的顺利实现。 而当美国意识到在先进科技领域面临着被其他国家超过的可能性时,联邦政府绝不会静以待之。

中国“人造太阳”再获突破的重大意义是什么

早前,美国的核工业、太空计划、航空业和互联网的发展最初几乎都是由国防部明助或暗助,从电池到GPS,甚至智能手机中的几乎每个关键部件亦多是基于最早由美国政府牵头进行的研究。从一定层面来说,中国大科学装置核聚变发电此次获得重大突破,将进一步使得中美科技竞争升级。


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