东方超环这座大科学装置对实现核聚变能有什么贡献?

中科院合肥研究院副院长、等离子体所所长宋云涛介绍,这座大科学装置的科学目标,正是从前期基础研究出发,对受控核聚变相关的前沿物理问题展开探索性实验研究,既着眼物理理论突破,同时验证工程上的可行性,为将来打造真正的商业聚变堆、电站打下基础。

太阳发生核聚变,主要依靠星球引力约束等离子体。可地球上没有那么大引力,要想让能量不失控,就需要借助磁场来约束。受控热核聚变的实现离不开超高温、超低温、超强磁场、超大电流、超高真空的极限环境,科学家们用磁场做成“托卡马克”这座“磁笼”,牢牢将高温物质控制住,磁场外面用真空隔绝,保护装置材料不被烧毁。

尽管主流可控核聚变方式不止有磁约束这一种,还有惯性约束、引力约束等,但磁约束在实验室条件下接近成功,也是国际上主流的研究方向。因此,托卡马克核聚变实验装置被公认为是探索、解决未来稳态聚变反应堆工程及物理问题的最有效的途径,是地球寻找聚变能源出路的希望。

在东方超环这座大科学装置的牵引下,衍生出一系列创新成果

从5000万摄氏度放电30秒至60秒,再到百秒,再到1亿摄氏度运行20秒……东方超环不断刷新着放电纪录。如果能较长时间维持1亿摄氏度的高温,实现接近1000秒的放电时间,将证明人类距离解决核聚变商业化应用的步伐更进一步。

每一秒的增长,在科学上都具有极高的难度,背后是科研人员夜以继日的钻研和呕心沥血的付出。

实现受控热核聚变和稳态约束等离子体,是国际共性科学难题。根据物理学理论“劳森判据”,核聚变点火条件包括核聚变燃料的温度、密度和约束时间这三个要素。据等离子体所博士鄢容介绍,想实现聚变反应,首先要达到1亿摄氏度以上,使聚变燃料完全电离,并在保证等离子体密度的前提下,将高温等离子体维持相对足够长的时间,不泄露不逃逸,才可能释放出足够多的能量。托卡马克的高温物质,就像是一群正在嬉戏打闹的淘气孩子,很难控制。温度、密度、时间这三个要素缺一不可,相互协调到最佳状态,才能实现稳态约束。

除了科学实验难度高,作为集成系统,这个装置对工程配合要求也极高。据了解,整个大科学装置总共有48个窗口,零件数量相当于5架波音777飞机的零件总和。短短的数十秒运行中,任何一个零件失灵,任何一滴不该出现的水珠,任何一个停滞的环节,都会导致实验风险。科研人员不舍昼夜地实验、调试,就是希望能更精确掌握等离子体的基本特性,研究改进磁笼子的形态和性质,在看似杂乱无章的现象中发掘科学规律,提出长时间等离子体稳定约束的最佳运行方案。