【人造太阳:为开发核聚变能源探路】
 

眼下,合肥科学岛春光无限、生机盎然。小岛的中间地带,矗立着一座外形酷似宇宙飞船的大楼——中国科学院合肥研究院等离子体所;大楼深处,有一个大科学装置——全超导托卡马克核聚变实验装置(中文名为东方超环,简称EAST),俗称“人造太阳”。

  这座由我国自主设计、自主建造的核聚变实验装置,多次创造出等离子体运行的世界纪录,代表着我国磁约束聚变研究在高温等离子体运行物理和工程方面的研究水平,为全人类开发利用核聚变清洁能源奠定了重要的技术基础。

  “人造太阳”长什么样?何时能造福人类?前不久,记者进行了实地探访。

  一旦人类掌握了核聚变能,将拥有可使用上百亿年的清洁能源

  尽管提前做了一些功课,当真正来到“人造太阳”面前,这个庞然大物依然让人震撼。装置主体高11米、直径8米、重达400吨,周围供电、冷却等辅助设备林立。其核心结构是一个像面包圈的环形磁容器“托卡马克”。

  探访当天,“人造太阳”并未进行实验。大约十几名科研人员手持检测工具,在装置主体上下攀爬,进行设备维护和更新。装置零件数量巨大,材料和工艺完全依靠自主研发。从2006年建成至今,装置每年都会进行保养和零部件更新换代,确保实验的顺利进行。

  俗话说万物生长靠太阳。在太阳内部无时无刻不在发生着核聚变,为大自然带来最普遍的能量来源。所谓“人造太阳”,是指充分利用这个科学原理,在地球上建造一套核聚变装置,像太阳一样发生核聚变反应,从而源源不断地产生能量。严格意义上讲,“人造太阳”的称谓并非专属于东方超环,凡是应用了类似原理的装置,都能这么称呼。

  “人造太阳”重要性体现在哪里?

  这要从核聚变能的优点说起。相比核裂变,核聚变没有放射性。氘和氚反应的生成物是氦气,对环境无害,一旦造成反应的等离子体熄灭,聚变反应会终止。核聚变的原料储量也很丰富,氘可以直接在海水中提取,氚则可以通过中子和锂反应产生。据估算,一升海水中提炼出来的氘经过核聚变反应释放出的能量相当于300升汽油完全燃烧释放的能量。核聚变能凭借资源无限、清洁环保,不产生高放射性核废料等优点,是目前认识到的、可以最终解决全球能源问题的重要途径之一。一旦人类掌握了核聚变能,将拥有可使用上百亿年的清洁能源。

  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。

  大科学装置集高精尖技术于一身,其承载的意义早已不止追求科学目标本身。在东方超环这座大科学装置的牵引下,衍生出了一系列重要的创新成果,形成了超导技术、低温技术、等离子体技术、生物技术、材料技术、机器人技术等多个产业技术板块,推动一大批高新技术成果实现转移转化,实现了“一路摘瓜”“沿途下蛋”。

  比如,质子和重离子放疗是目前国际公认最尖端的放射治疗技术,一直被发达国家所垄断。等离子体所利用大科学装置的超导技术,积极研制国内首套具有自主知识产权的医用超导质子癌症治疗系统,将大幅降低患者治疗费用。

  此外,等离子体还能治疗皮肤病,有广谱抗菌、加速凝血、促进细胞增殖、无耐药性及副作用等优点;等离子体所将大科学装置离子束技术引入生物学科,致力于微生物新菌种的创制、发酵调控、产物分离分析及终端产品的研究和产业转化。

  据介绍,我国的核聚变研究与国际基本同步,甚至在聚变某些技术领域确立了领跑地位,在超导、稳态控制、加热等方面巩固了中国特色。有国外期刊称赞“中国创造了聚变历史”“在这里科学价值得到极大体现”。

  以东方超环项目为依托,科研人员参与了目前全球规模最大的国际科研合作项目

  在国际科技合作方面,东方超环作为国际磁约束聚变装置中最前沿的国际开放平台之一,积极开展国际联合实验,促进了全面开放共享。

  更重要的是,以这个项目为依托,我国科研人员参与了目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目ITER(国际热核聚变实验堆计划)。该计划的目标是在和平利用聚变能的基础上,探索聚变在科学和工程上的可行性。包含中国在内的多个国家参与了这个国家大科学项目,举多国合力向受控聚变实验堆迈进。

  “东方超环很像ITER的缩小版,运行模式也都是采用了长脉冲高约束。我国科研人员在这个装置上摸爬滚打这么多年,每个材料都摸过,每个环节都练过,真正积累了等离子体运行的实际经验,能在科学原理和工程建设上为ITER提供宝贵参考经验。”宋云涛说。

  当前,我国承担了ITER10%左右的采购包,其中七成由中科院合肥研究院等离子体所承担。科研人员勇于担当,直接争取到ITER最重要的核心设备“超导磁体”的建造任务。这个任务风险很大,但科研人员不畏艰难,高效高质交付了18个采购包制造内容,涵盖了ITER装置几乎所有关键部件, 由上百家科研院所和企业承担。大电流高温超导直流电缆、脉冲高压变电站首台主变压器……自主研发的各项设备运到欧洲,获得了合作伙伴的高度认可。也正因为他们的出色表现,我国直接拿下了整个装置的总装任务。2020年10月,ITER计划启动主体安装工作,我国科研人员恪守承诺,确保安装进度正常。

  参与ITER项目十几年,我国科研团队获得了深度参与国际科研合作项目的机会,积累了建造“人造太阳”的经验,在材料科学、超导技术等领域研发能力得到进步,为中国建造聚变工程实验堆(CFETR)奠定了基础。

  “许多研究物理的年轻人通过在ITER的历练,开阔了眼界,锻炼了本领,回国后成为‘挑大梁’的骨干。”宋云涛说,许多与合肥院合作的国内企业,在生产超导材料、打造零部件方面达到水平一流,积累了国际工程管理、国际合作经验;一些企业甚至走出国门,拿到了国际订单。

  “作为东方超环的科研团队,我们感到责任重大、使命光荣。近期,我们希望通过努力,向超高温度更长时间的放电努力,产出一批原创性、战略性、集成性创新成果;长期而言,我们盼望着能够实现大科学装置能量输出大于输入,争取在2040年前后建成聚变电站,让千家万户早日用上核聚变能源,实现清洁能源梦想。”宋云涛说。(记者 刘诗瑶)

来源:人民日报

#不能错过的惠州大亚湾# 【千年文明史 海上小桂林】你是否知道大亚湾之名从何而来?你可知道,大亚湾国家级经济开发区成立至今虽才27年,但它却有逾千年文明历史?

文化铸就城市之魂。奋力拼搏的2019年即将过去,充满希望的2020年正徐徐而来。大亚湾认真贯彻党的十九届四中全会精神,正继续奋力高质量建设世界级绿色石化产业基地。本文以大亚湾历史文化旅游资源为主题,从历史文化的角度解读大亚湾,不仅可以为旅游资源重塑内涵,还可以让更多人深入了解大亚湾,打开另一扇窗,助力未来发展。本主题分为上下篇,以飨读者,本期推出上篇。

大亚湾地处惠州东南,三面环山,面向南海,自古以来便是天然避风良港,“为粤省海洋最擅形胜之地”。这里有绵延曲折的黄金海岸,沙质柔软细腻;近百个岛屿在湾内星罗棋布,有“海上小桂林”的美称。石油化工、港口物流、休闲旅游、前沿科技,一个个新兴产业,布局在大亚湾的海岸线上,串成一条光彩夺目“钻石产业带”。

从小桂湾到小径湾,再从范和港到巽寮湾、双月湾,这是中国最美丽、最具活力、最具潜力的黄金海岸之一。高空俯瞰,大亚湾石化区内,高耸林立的储油罐,如棋子般排列在山海之间;巨无霸的远洋轮,如小舟般憩于马鞭洲码头。在岸线另一端,五星级酒店群错落有致,一艘艘游艇劈波斩浪,划出一条条长长的白线……今天的大亚湾,正在成为以“产城人文旅”融合为特色的美丽新城,为大亚湾区争创世界级绿色石化产业基地、惠州争创国内一流城市贡献大亚湾力量。

“大亚湾”之名从何而来?

据大亚湾纯洲岛造船湾遗址考古发现的夹砂陶绳纹罐残片,显示出大亚湾畔早在新石器时代就有人类活动。战国至西汉的陶片,以及唐宋时期的墙基、墓葬、栓船石等遗址,也充分证明了大亚湾的文明历史由来已久,自古以来便是海上丝绸之路中的一环。

丰富的海洋文化遗存,体现出大亚湾有着辉煌的海洋文明和开放文化。早在晚唐时期,循州(惠州古称)已有较发达的造船业,不少循州人在大亚湾乘坐海船,到南洋各地进行贸易或“住蕃”。古代大亚湾的四大港口——墩头港(即澳头港)、霞涌港、吉头港、巽寮港,有两个在大亚湾区的辖区之内。清代中期,粤海关开放墩头口岸,用以通商课税。更重要的是,墩头港作为东江流域腹地最近的出海口、淡水盐场(今平海)与小淡水厂(今淡水)的接驳海港,不仅是粤盐的仓储、货运中心之一,更是惠州华侨出海远航的首选之地。有着开放文化基因的大亚湾,在惠州历来是最早领风气之先的地方,直到新中国成立前澳头仍被民间称之为“小香港”。

鸦片战争后,由于大亚湾毗邻香港,又扼握上海至香港的航线要道,大亚湾逐渐被西方列强所关注。1845年,英国海军部出版的海图中,将大鹏湾往东、红海湾以西的海域,即今天的大亚湾命名为Bias Bay,中文译名有“湃亚士湾”“伯亚士湾”“白耶士湾”等等。

这些五花八门的外文译名整整沿用了近一个世纪。1936年12月,广东江防司令冯焯勋出巡湃亚士湾考察,闻知该处原有中文土名“大亚湾”,认为不改名的话,“恐贻弃夏用夷、数典忘祖之讥”“势必腾笑友邦”。冯焯勋的建议得到当时广东绥靖公署主任余汉谋的支持,转呈民国政府核办。经民国政府批复,于1937年3月20日正式将“湃亚士湾”改名为“大亚湾”。

1938年10月12日,侵华日军在大亚湾登陆,仅用3天时间占领惠州,10天时间占领广州,华南抗战全面爆发。“大亚湾”一名正是在这样的历史背景下首次被国际社会强烈关注。大亚湾石化区有一个著名景点——三棵树观景台,这里正是当年日军主力登陆入侵惠州的地点之一。

大亚湾岛礁众多 有“百岛湾”之称

大亚湾是广东省东部最大的海湾,东倚稔平半岛,北枕海岸山脉,西依大鹏半岛,西南有沱泞列岛作屏障,海域面积达1300多平方公里。湾内岛礁众多,故有“百岛湾”之称。清末惠阳籍爱国报人欧榘甲称:“尝考我国南方佳港著称外人者,以归善沿海及舟山三门湾为最。而归善沿海,若范和冈、黄布角、霞浦港等处,尤惹世界注目。”

论大亚湾海岛之奇,首推大小三门岛。“一水护岛将绿绕,两山排闼送青来。”之所以称作“三门”,是因大陆与大三门岛、大三门岛与小横洲、小横洲与大横洲,相继在海上通道上形成三个“大门”。素有广东“小塞班”之称的三门岛,岛上五彩石滩,撒满色彩斑斓、形状奇特的火山石;百年老树、藤蔓、低矮的灌木丛,仿佛让你置身“世外桃源”;青色石墙堆砌而成的古城墙,虽历经数百年风雨,雄风依然,城墙的拱门以及枪眼保存完好。

此外又有婀娜多姿的生态岛——大小辣甲岛,大辣甲岛(又称大甲岛)的月牙沙滩,绵延数公里;植被繁茂,山峦逶迤叠翠;怪石嶙峋,坐拥沙白浪清。关于大甲岛,有一段鲜为人知的故事。清朝中叶以后,清政府为了抑商实行了海禁。来往中国和南亚的商人不得不将船上的货物存放在离大陆较近的大亚湾内的几座小岛上。那些从惠州一带逃到海上的要犯,便将这些小岛作为打劫的地方,大甲岛便是其中主要的地点之一。

论大亚湾海湾之美,小径湾当仁不让。小径湾与惠东巽寮湾隔海相望,它是2010年广东省第13届省运会帆板比赛竞技赛场。在这里,你可以看到“青山相遥望,水中红日来”的盛景。烟波浩渺,水天一色,海鸥高翔,渔帆点点。海滩上,细柔洁白的海沙伴着3000多米长的月牙形海湾,海面辽阔,海水蔚蓝,让你尽享海天一色的蔚蓝之美。via.东江时报

从达喀尔轮渡到3公里外的戈雷岛,从15世纪中业开始的奴隶贸易在这里持续了380多年,几百万的黑人奴隶从非洲各地被咋送到这里再运往美洲、欧洲。无数的家庭破碎、无数的希望被掩埋。为了记住曾经的历史,这座仅有36公顷的小岛在1981年被列入全人类的文化遗产。如今的戈雷岛历史被铭记而新的生活已经开始。此程结束后飞往第二站佛得角首都普拉亚。 https://t.cn/RqzbVyh


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