苏造办智慧商显欢迎您!
华语祥影-智慧商显-苏造办SuZaoBan
6*12小时服务热线:
15510033533
问道中国

合肥的科学岛

作者:创始人 日期:2024-04-25 人气:333
【苏言道】手握核聚变工程,合肥要先“冲出地球”了?未来人类或将不愁能源
合肥的科学岛-采编:苏造办智慧商显15510033533
http://www.suzaoban.com/?c=index&a=show&id=4228

有这样一个地方,这样一群人,四周围是水位于岛上,远离城市但岛上设施一应俱全。

岛上人员每天工作累了,可以打打球或者进行其他娱乐活动。至于他们工作所用的设备,毫不客气的说应该是当下世界里最硬核的了。


因为,这个“岛”和这群人的存在,本身就代表了科研的最前列。他们在这里研发“人造太阳”。

“人造太阳”的实验装置是怎么样的

“人造太阳”是核聚变的俗称,因为我们每天看到的太阳,它能产生巨大能量,就是因为无时不刻在进行核聚变活动。

假设我们也掌握了核聚变技术,能源问题就能一劳永逸解决,煤炭、石油、天然气这些石化能源也将全部被淘汰。这一切,就是核聚变研究的背景。


理论上,还在上世纪20年代,科学家就逐步了解了太阳在进行核聚变的过程。等到上世纪30年代初,现代核聚变研究的方向和理论基础基本都搞定了。

之后20多年,人类利用逐步掌握的核聚变技术,成功引爆了氢弹。彼时,原子弹背后的核裂变,以及围绕可控核裂变的发电技术,已经在推行并逐步应用到了现实中。

科学家本来以为,很快也将掌握可控制的核聚变技术,然而接下来的研究却发现并不是那回事。


因为,可控核聚变反应,整个过程需要的温度级别要达到千万摄氏度甚至过亿才行,如果温度达不到要求,核聚变也就无法实现。

目前,地球上已知最耐高温的材料是钨,可3000℃就能让钨融化。也就是说,人类要想使用某种载体来实现核聚变的过程,这一研究思路是行不通的。

就这样,科学家后来转变思路,决定利用磁场来约束高温核聚变的燃料。从上世纪五六十年代开始,相关研究就从理论转向了现实。


在这期间,各大国都先后推出了可控核聚变的实验装置。60年代,苏联的托卡马克实验装置取得了突破,从那之后,各国在这一技术的基础上开启了研发高潮。

我国现在“人造太阳”计划所使用的实验装置,也是在这一基础上研发升级而来的。它的全称叫全超导托卡马克核聚变实验装置,中文简称又叫东方超环,英文简称为EAST。

目前,该实验装置就位于文章开头所说的岛上。从设计到建造,全部是自主化,而且在投入实验后,它已经突破了多项世界记录。


远远的看起来,它犹如一个巨型的圆圈,外围罩着它的结构犹如两座大楼。装置整体的高度超过了4层楼。

利用强磁场的约束,是该实验装置的核心。在实验装置的中间是真空室,真空室外面的结构是可以通电运行的线圈。

开启运作的时候,实验装置的内部会产生强大的磁场,等离子体会被加热到很高的温度,进而核聚变反应才会形成。


为什么要将实验装置造的这么大,因为理论上实现反应的温度要到上亿摄氏度,而约束其反应的强磁场,就需要大型设备才能产生。

该实验装置不但大,实验耗费更是惊人。机器只要开动一次,每天的花费不算其他至少就需要107万。

虽然耗费巨大,但目前包括我国在内的多个大国,都在核聚变领域争分夺秒的研究。在科学家看来,核聚变一旦取得重大突破,对人类来说就意味着发展真正达到了可持续且无污染的程度。


怀揣着同样的梦想,目前在“岛”上工作的徐国梁,当初高中毕业考大学,依然选择了科研领域的专业。

位于合肥的科学岛

这座岛位于合肥城郊,EAST的研究团队,隶属于中科院合肥物质科学研究院。徐国梁在上高中的时候,从新闻中得知国家正在核聚变领域进行研究,从此便萌生了打造“人造太阳”的想法。


他在高中毕业后学了理科专业,2019年博士毕业后,正式成为了合肥城郊岛上的一员。徐国梁所在的研究小组,负责的方向是等离子体和材料的相互作用。

小组成员都是和他一样的青年研究人员,大家都怀揣着一样的梦想。他们的主要任务,便是在温度增高的情况下,尽可能提高所用材料的使用寿命。在整个研究中,他们所负责的领域是很关键的。


因为研究技术的特殊性,徐国梁在内的一种科研人员,相当于处在一个独立而封闭的环境中。

所在区域四周围都是水,而且远离了城市的喧嚣。虽然环境封闭,但是岛上从工作到生活,各种设施一应俱全。除了医院、宿舍、食堂这些基础设施外,岛上甚至还专门设置了学校。


对科研人员来说,没有了任何后顾之忧,方可专心致志的开展科研工作。在这个过程中,徐国梁在内的团队,和整个EAST研究整体,攻克了很多难关。

比如在实验装置中,强磁场的环境必须得相当稳定,否则反应过程就无法持续。而要达到强磁场的环境,超导材料又成为重中之重。

实验装置真空室外围缠绕着的线圈,那一根根的线既要缠绕有序,还要留下空隙,同时又要满足磁场环境维持线圈的不断。在这个过程中,团队实验了很多次,终于得到了不会断裂的铜线。


这仅仅是研究的冰山一角,徐国梁所在的小组,此前要搭建测量粒子的能谱设备,整个过程持续了3年时间。该设备启用后,是为实验过程中提供数据支持的。

在此之前,其他国家在这一领域的研究中,并没有科研团队去做类似的设备。没有可供参考的经验,所以在选用探测器以及如何收集粒子方面,科研人员只能摸索着前进。

从零到1,从无到有,围绕核聚变实验的研究,整个团队在不同的研究方向上,各自贡献和发挥着自己的力量。

以测量粒子的能谱设备为例,研究小组在2020年的时候取得了突破,并且很快就运用到了实验之中。

正因为整个团队一直在前进,我国在核聚变领域的研究,才能一次次获得突破。


403秒,打破世界最长时间运行

2023年4月,东方超环一如往常开机工作。这一天,它实现了时长达403秒的长脉冲高约束模等离子体运行。这一时间,再次打破了世界的记录。

什么意思呢?通俗点说时间越长,意味着实验装置运行的可靠性和稳定性进一步得到了提升。同时也意味着,为下一步研究探索该技术方向在可控核聚变领域的应用性上,又往前迈进了一步。


实验的终极方向,就是为了进一步验证利用强磁场约束的方式,能够达到可控核聚变的整个反应过程。未来持续的时间更长,并且运行很稳定的话,那反应过程就能用来发电进而产生能源了。

是的你没看错,宇宙的尽头就是发电。此前,人类已经掌握了可控核裂变的技术,并且利用该技术而打造的核电站已经运行多年了。


只可惜核裂变的环境风险很难消除,安全问题不容忽视。而核聚变就不同了,理论上在反应过程中是零污染源产生的,实际中产生的核污染源,数量相比核聚变也相当少。所以,这才是各国拼命研发的主要原因。

我国在该领域的研究,目前处在绝对的第一梯队。而且在这之前,其稳定运行的时间也已经多次打破记录了。

从20秒到101秒,再到2023年的401秒,运行时间在不断延长,运行过程中产生的温度同样也在打破记录。


起初是5000万摄氏度,后来上升到了1亿摄氏度,再后来又上升到了1.2亿和1.6亿摄氏度。温度的升高,类似于在模拟太阳内部的环境,进而核聚变反应的过程才能呈现出来。

我国不但走在了研究前列,有自己的实验装置,在国际热核聚变实验堆计划中也有参与。该计划打造的实验装置,位于法国南部地区。按照预定时间,2025年时就能正式开启测试。

在全世界的研究领域,除了EAST所代表的技术方向外,也还有另外的研究技术方向。


谁能率先取得突破

像我国的东方超环,实验装置规模巨大,光是打造过程就需要大量资金,因此世界其他国家在这一方向上的研究,也只有政府才能承担得起费用。

除了这一方向外,世界上还有球形反应堆装置。相比于我国的东方超环,后者在整体的造型上相对小一些,但真实的体积其实也不小。

后者所用的也是强磁场约束,所用设备和技术试图以更小的功率,产生更强的磁场。在一些研究者看来,球形的反应堆运行成本较低,适合私营公司或者个人在核聚变领域的研究。


从国外的研究情况看,除了政府在推动研究外,世界上的一众超级富豪也该领域投入了研究资金。

截止到2022年,核聚变研究领域,私人的投资规模已经将近50亿美元。尤其是在美国,私人投资该领域的规模最大。全世界80%的私人投资资金,都流向了美国的公司。

而在一些科学家看来,不管由谁在这一领域研究,下一步各方的力量应该尽可能汇聚到一起,只有这样核聚变的实质性突破才能更快到来。


结语

目前的趋势是,政府主导的科研项目比如我国,无疑处在最前列。不过,下一步的实验无疑还要继续进行,而要想在技术上取得更大突破,技术、安全、成本等问题都要逐一解决。

从研究角度看,政府主导的研究更扎实,也更注重技术形成的稳定性和系统性。而私人企业在该领域的研究,因为投资收益回报的问题,更急于求成一些。


然而从核聚变本身去看,技术形成,并从实验落地应用,究竟还有多长的路要走,目前谁都给不出确切的时间表。也许是几十年,也许很快就会有实质性突破,一切都还不在可控范围。

参考资料:

《中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所EAST团队——准备着,点亮“人造太阳”》 人民日报 2022年6月10日
《403秒!EAST实现世界上最长时间高约束模等离子体运行》 科技日报 2023年4月13日



合肥的科学岛-采编:苏造办智慧商显15510033533
手握核聚变工程,合肥要先“冲出地球”了?未来人类或将不愁能源
http://www.suzaoban.com/?c=index&a=show&id=4228

1526722225289.png

0
0
付款方式
×