在动画片《赛尔号》中有一句台词,“公元2110年1月1日,距离地球能源完全枯竭还有3650天,为了解决能源危机,人类制造赛尔机器人和宇宙探险飞船赛尔号,探索传说中的无尽能源。”人类从掌握了火之后,就开启了对能源的不断渴求。
四川乐山
说到四川乐山,人们首先想到的一定是乐山大佛,作为精神层面的追求,某种意义上来说,大佛也是人们内心信仰源源不断的能量。每当人们看到大佛,内心就会充满信仰的力量。
核工业西南物理研究院其前身是黑龙江省原子核物理研究所,始建于1958年。1963年2月划归第二机械工业部,改名为二机部东北503所。1965年筹建,503所与二机部401所14室及水电部电力科学院热工2室合并,成为二机部585所, 在乐山肖坝境内落地生根, 占地44公顷,总建筑面积17万平方米。
585所戒备森严,普通人根本没有机会进入,而在585所里有个叫303室的地方更是单独有卫兵把守,这里是禁地中的绝对禁地。中国环流器一号(HL-1)装置的所在地。
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我国的人造太阳
什么是环流器?就是可控核聚变的发生和控制装置。是最接近无限能源的地方。而这个环流器的建设却十分不易,当时,451工程主要是设计制造托卡马克环流器装置,而托卡马克在国际上也是一个新概念,585所缺乏最起码的科技资料和相关设备仪器,连一台计算机都没有,只有一张示意图和几个计算公式。要完成451工程的设计、计算、研制、安装、调试和物理实验这样庞大的、尖端的科学技术工程,是非常艰巨的事情。585所的科研人员踏上了曲折的研发之路。
中国环流器一号组装中
451工程是一项规模宏大、难度极大的尖端科学研究设施工程,由托卡马克主机、大型供电系统、超高真空机组等部分组成需要专门设计、研制的“非标”产品如大型飞飞轮机等,大多数结构、材料特殊,加工十分困难。有一部分虽属通用设备,但国内产品的技术指标又不能满足工程要求,仍需另行研制或者改进,如开关、断路器和测量仪器等。其中,非标设备达1074台(件),研制工作十分繁重。最终设计图纸叠起来有三层楼这么高!
调试成功
1984年9月21日20时,585研究所里,李正武、柯华柱、等所领导集聚在中央控制大厅,站在他们旁边的有科学家孙湘、丁厚昌、何成逊、姚良骅、董家齐等人。中国环流器一号正在“放炮”。当主机内纵向磁场强度达到16000高斯时,开始向真空室不断送进氢气,接着向变压器的一次线圈加脉冲环电压。加到3000伏特时,诊断控制室的荧光屏上出现环电流的波形,质谱计发现有大的水和甲烷的脉冲峰,测量内垂直磁场的感应电压发生大的震动,环电压下降。
当何成逊把一组数据送到李正武的手上时,李正武激动地说:“我宣布:中国环流器一号总体调试,氢气已被高压击穿,产生了稳定的等离子体!”585所顿时沸腾起来了,人们含着激动的泪花,相互祝贺。欢乐的笑声从一扇扇窗户中飞出,在夜色迷茫的山沟里回荡。人们记住了这一有特殊意义的时刻:1984年9月21日22时18分。
环流器内部结构
点亮
在地球上利用核聚变能,要求在人工控制条件下等离子体的离子温度达到1亿摄氏度以上。“1亿度是什么概念?太阳的核心温度大概在1500万度至2000万度;而地球上最耐高温的金属材料钨在3000多度就会熔化。1亿度,已经超过太阳核心温度的5至6倍了。”中核集团核工业西南物理研究院特聘研究员钟武律解释说,“在地球上,没有任何材料可以把1亿度高温的等离子体给直接包裹起来。”
环流器工作4.5秒
中国环流器一号于1984年8月完成了全部安装工作,9月13日完成了各系统的总体联合调试准备,接着进行联调和放电清洗。1984年9月26日,是中国环流器一号启动运行的日子。控制室里,每人身上挂着核辐射测试笔,静静地守候着,内心既充满了期待,也有几分忐忑。“最怕的就是产生的等离子体达不到我们的要求。”曾任核工业西南物理研究院院长的高级工程师尚振魁回忆道。
当中国环流器一号装置一举成功在1特斯拉纵向磁场下获得54千安、持续6毫秒以上的等离子体时,一刹那,整个实验室沸腾了。一个人造的小太阳在乐山被科研人员们制造了出来。
越来越强
从此,中国磁约束聚变一步步从无到有,从小到大,从弱到强。1995年中国第一个超导托卡马克装置HT-7在合肥建成;2002年中国建成第一个具有偏滤器位形的托卡马克装置中国环流器二号 A(HL-2A);2006年,世界上第一个全超导托卡马克装置东方超环(EAST)首次等离子体放电成功……
人员进入环流器内部
而2020年投入运行的“中国环流器二号M”装置成为中国规模最大、参数最高的磁约束可控核聚变实验研究装置,其等离子体体积为中国现有装置的2倍以上,离子温度将达到1亿摄氏度以上,可将电流从中国现有装置的1兆安培提高到3兆安培。
环流器发电示意图
巨大差距
但是距离真正的从聚变到能源人类还有非常大的差距,太阳已经持续不断地反应了45.7亿年,而人类目前最强的装置连120s都没有坚持下来。
被磁场束缚的等离子体
太阳的核聚变
太阳的核聚变示意图
梵观点:普通人有没有机会观察到核聚变呢?当然有,每天我们都在经历并感受着这一过程。想看核聚变是吧?抬头看看太阳,暖暖得晒晒背,你也在其中!