中国自主研发聚变堆环向场超导磁体成功验收,标志着“人造太阳”关键技术取得突破

来源:时代一线 分类:科技
中国自主研发聚变堆环向场超导磁体成功验收,标志着“人造太阳”关键技术取得突破

中科院合肥物质科学研究院公布消息:我国自主研发的聚变堆环向场超导磁体,成功完成全部流程研制与验收工作,核心部件全部采用国产材料。这个磁体的体量如何?长度达21米、宽度12米、高度3.3米,总重量为582吨。

582吨呈现怎样规模?大致相当于300辆小汽车叠加而成,构成一个"甜甜圈"形制的钢铁主体。此乃当前全球最大尺寸的聚变堆超导磁体,首屈一指。

●♦先阐释清楚:所谓"人造太阳"

众人常提及"人造太阳",却对其实质用途缺乏认知。简述之:太阳之所以释放光热,源于其内部氢原子在极端高温高压状态下实现聚变,从而爆发庞大能量。人类欲在地面上模拟这一过程,即称为核聚变。

使用何种燃料?氘与氚。氘可从海水中获取,1升海水中的氘若发生聚变,其能量相当于300升汽油。地球上海水储量足够使用数十亿年。反应过程是否伴随核污染?不产生。核聚变不像核裂变会遗留长寿命放射性废物,亦不会发生堆芯熔毁事故……反应条件极为严苛,哪怕产生微弱失控迹象,反应便会自行终止。

核聚变誉为"终极能源":资源取之不竭,过程洁净安全,能量含量极高。谁能掌控可控核聚变,便掌握了未来数千年的能源命脉。

●♦为何挑战重重?

理论看似简单,实践却属登天之难。太阳内部温度高达1500万度,依靠巨大引力约束等离子体。地球上不具备此等引力环境,故需采用其他约束方式。

当前主流方案为"托卡马克"装置……运用环形真空室,外部缠绕超导磁体,借助强磁场约束上亿摄氏度的等离子体。

上亿度意味着什么?钢铁瞬间便会气化数百次。任何实体材料接触等离子体,即刻被熔穿。唯有磁场能"托举"等离子体,使其悬浮空际,不触及任何器壁。如此操控犹如魔法。亦似用无形绳索,控制狂暴野兽。绳索需足够坚韧、稳定,且不可断裂。此超导磁体,正是充当那根绳索。

●♦此次关键突破何在?

此次验收通过的环向场磁体,乃托卡马克装置中的核心组件之一。其功能是产生环向磁场,约束等离子体沿环形轨迹运动,防止高能粒子轰击真空室壁。建造难度如何?此处稍作说明。

■材料难题。超导材料须在极低温环境下运作,同时承受强磁场、高电流、巨大机械应力。过去这类特种超导材料长期由欧美日企业垄断,国内购置高端产品困难重重,或价格高得离谱。此次磁体使用的特种不锈钢、绝缘材料、超导材料,均源自国产,实现100%自主可控。

■尺寸难题。此磁体长21米、宽12米、高3.3米,体积为国际热核聚变实验堆(ITER)同型号磁体的1.3倍,储能达对方的3倍。体积增大意味着加工精度要求愈发严苛。哪怕微小瑕疵,在强磁场与极低温条件下亦会被放大,导致磁体失效。

■磁场强度难题。16个同款磁体组合成环后,运行电流达100千安,中心产生6.5特斯拉磁场。6.5特斯拉呈现何种态势?医院核磁共振的磁场强度通常为1.5至3特斯拉,此强度相当于两三个核磁共振叠加,需分布在几十米大的环形空间中,均匀性要求极高。从设计、预研、研制至测试,科研团队历时整整6年。

成果公布:各项性能指标超越国际同类产品,全球尺寸最大、储能最高的全超导磁体,诞生于中国。

●♦不止这一项。

另有核心部件传来佳音。高温超导中心螺管线圈磁体,完成满工况参数测试。此磁体的作用是感应、驱动等离子体电流,并动态调控等离子体约束形态。若说环向场磁体是"笼子",那螺管线圈便是"缰绳",负责调控等离子体的运动状态。

实测数据:稳定载流60千安,储能6.03兆焦,核心性能达到国际顶尖水平。同样,从超导材料、结构设计到成套制备工艺,完全实现国产化。两套核心超导磁体同日通过验收,证实我国在聚变堆关键系统上,已构建起从材料到部件的全链条自主研制能力。

全球核聚变研究历经数十载,当前最大的国际合作项目为ITER(国际热核聚变实验堆),位于法国南部,由中美欧日韩俄印七国共同参与。

但ITER进展迟缓,预算多次大幅超支,完工日期一延再延,预计最早需到2035年方能开展氘氚聚变实验。

中国方面,除参与ITER,同步推进自主聚变工程化路线。此次验收的磁体,属于"聚变堆主机关键系统综合研究设施"(CRAFT),旨在为未来中国聚变工程实验堆(CFETR)提供技术储备与工程验证。

实则,我们不仅进行实验,更在为真正的聚变发电站奠定基础。

2026年被业界称为"核聚变工程化元年"。国内在建、规划聚变装置的总投资规模已突破1400亿元。多家科研院所密集启动设备招标,超导材料、真空腔体、偏滤器等核心部件订单接连放出。从实验室迈向工程化,从科研转向产业,此步已然迈出。

●♦前景尚需多久?

坦率而言,可控核聚变距离商业化发电仍存差距。业内普遍预计,需到2035年左右建成示范电站,真正实现商业化发电或需等到2040年以后。

这并不意味着当前突破毫无意义。每次关键部件的国产化,都在缩短与目标的距离。从技术封锁,到100%自主研制;从跟跑,到部分指标领先;从实验室微型装置,到582吨巨型磁体……此路已走数十载,每一步均有价值。终极能源的竞争,方才初始。

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