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工作成果

段旭如:为科技逐日注入“成都智慧”

来源:| 发布时间:2020.07.07| 浏览:163次

预计2020年建成,

超100000000摄氏度

……

作为“国之重器”,

我国新一代“人造太阳”,

中国环流器二号M装置,

正在成都加快建设。


它,将成为强化城市原始创新能力,

参与国际合作的重要载体。

而在顺利建设的背后,

离不开一批“逐日”的科研工作者,

在孜孜不倦地工作着。

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对话 科技创新大脑

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https://mp.weixin.qq.com/s/6kiSezYVeArIAS9BfGDPcQ

作为中核集团核工业西南物理研究院院长、成都市科学技术顾问团顾问,段旭如就是“逐日”科研工作者中的“领军者”。

扎根核聚变研究领域数十年,他一直为着心中那个“用聚变能点燃第一盏灯”的梦想,在自主创新的道路上持续奋斗着。

今天,就让我们走进中核集团核工业西南物理研究院,对话成都科技创新大脑——中核集团核工业西南物理研究院院长、成都市学技术顾问团顾问段旭如。

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镜头 实验室里的一瓶香槟

“倒计时,3、2、1,启动!”

瞬间,电脑屏幕上,出现了“小草”形状的脉冲,全场沸腾,“终于成功了!”

2009年,发生在中核集团核工业西南物理研究院实验室里的这个画面,让段旭如至今记忆犹新。

这意味着,我国在核聚变研究上取得又一重大突破——首次获得偏滤器位形等离子体高约束模式,我国成为世界上继欧美日第四个拥有此项技术的国家与地区。同时,攻克这个关键技术,也是我国核聚变实验研究综合能力的体现。

从2006年开始,段旭如就和他的团队一起针对等离子体高功率加热技术、运行与反馈控制等多项关键技术进行科研攻关,希望在中国环流器二号A上实现高约束模式。高约束模式实现的一个重要特征就是在特定信号上测量到如“小草”般的脉冲。

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“在聚变研究中,相比于低约束模式,高约束模式下等离子体达到同水平的运行参数所需要的装置规模更小一些,可大大提高未来聚变能的经济性。因此,我们的装置需要实现高约束模式,以开展与未来聚变堆相关的前沿科学问题研究。但在10多年前,我国一直未实现这个目标。”段旭如介绍道。

3年,1000多个日日夜夜,上万次的反复实验……

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因此,当实验室里监测装置的屏幕上,第一次出现了如“小草”般的脉冲,实验室里全场沸腾,每个人都热泪盈眶。“非常不容易。在和国际专家一起确认后,我们马上买了香槟酒庆祝。”段旭如回忆说。

科学研究从来不是一蹴而就的,事实上,在中核集团核工业西南物理研究院,这样科研攻关的例子还很多。

仰望星空面向未来,“人造太阳”承载着人类清洁能源梦

核聚变研究为何如此重要呢?

万物生长靠太阳,而太阳的能量均来自内部的核聚变反应。段旭如介绍到,核聚变有几个显而易见的优势。首先,可控核聚变所需的反应原料(氢的同位素氘和氚),在地球上非常丰富。从一升水里提取的氘,全部反应产生的能量,相当于燃烧300升汽油产生的能量。其次,核聚变的环境可接受性比较好。氘氚燃烧生成氦,不会产生温室气体,对环境十分友好。

“此外,最重要的是,它具有固有安全性。”段旭如进一步解释道,“要实现核聚变反应需要几个条件,一是温度,等离子体离子温度要达到上亿度的高温,二是要有足够高的密度,三是要长时间把这些高温、高密度的等离子体约束在有限的空间内,才可能发生可观的核聚变反应释放出能量。如若发生事故,不会产生聚变反应失控,只可能使这些条件不能满足,导致聚变反应停止。”

科学家发现可以在实验室利用磁约束的方式在极端高温条件下将足够多的燃料约束足够长的时间,从而利用太阳发光发热的原理在地球上实现可控核聚变反应,为人类提供能源。人们将这类磁约束核聚变实验研究的装置俗称为“人造太阳”。

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从某种意义上说,“人造太阳”最有希望从根本上解决人类社会的能源与环境问题,获得取之不尽用之不竭的清洁能源,是真正的“国之重器”。

加入“ITER”计划 走向国际的“成都智造”

关于核聚变能源可控利用的憧憬是美好的,但实际上道阻且长。这需要国际合作通力解决,仅靠一国之力,很难把所有的技术难题攻克下来。

正是在这样的背景下,多国签署了“国际热核聚变实验堆(ITER)计划”,这也是目前全球影响最深远且最大的国际合作项目之一。“ITER”计划由七方30多个国家合力在法国南部普罗旺斯地区共同建造一个世界上最大的托卡马克装置,以验证核聚变能和平利用的科学和工程技术可行性。它一旦建成将是世界上首座反应堆级的核聚变实验装置。

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其中,我国承担了大概9%的采购包研发任务,覆盖了ITER主要核心部件的研发。段旭如透露,依托中核集团完整的核工业体系以及在核工程技术领域丰富的经验,中核集团核工业西南物理研究院在相关单位的支持下,承担了其中涉核部件及关键技术的研发任务。这也成为成都融入参与国际科技合作的一个“缩影”。

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2016年,由“成都团队”自主研发制造的国际热核聚变实验堆核心部件“第一壁”,在国际上率先通过权威机构认证,是我国在核聚变研究领域核心技术的又一重大突破。

可以说,一批批如段旭如一样的“逐日”科研工作者,正在为“ITER”计划贡献着“成都智慧”。

超过1亿摄氏度 新一代“人造太阳”预计2020年投入运行

加快核聚变研究,段旭如和他的团队还在继续攻关克难。

作为支撑“ITER”项目及未来聚变堆研究的重要一环,2019年6月,由中核集团核工业西南物理研究院自主设计建造的我国新一代可控核聚变实验研究装置“中国环流器二号M”,伴随着主机线圈系统的交付,其全面工程安装拉开序幕,预计将于2020年投入运行。

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段旭如表示,“在加入ITER计划后,一方面为确保ITER计划顺利实施,我们要高质量完成采购包任务,另一方面,需要培养锻炼参与ITER运行和实验的技术力量与人才队伍,新建的中国环流器二号M装置将成为ITER运行与实验及未来聚变堆设计建造的重要技术支撑与研发平台。”

与国内同类装置相比,“中国环流器二号M”装置采用了更先进的结构与控制方式,其等离子体体积为国内现有装置的2倍以上,等离子体离子温度将超过1亿摄氏度,可将电流从国内现有装置的1兆安培提高到3兆安培,将成为我国规模最大、参数最高的磁约束可控核聚变实验研究装置。

段旭如表示,“由于独特的结构,‘中国环流器二号M’的建造难度很大,对于精度要求很高,很多部件工艺甚至无经验可借鉴,技术挑战很大。”但在团队及相关单位的共同攻关下,目前工程安装进展顺利。

“用聚变能点燃第一盏灯”是每一代研究核聚变人的梦想,段旭如把它称为心中的“灯塔”。

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为实现这个伟大的梦想,段旭如也指出,“要实现核聚变能源利用,目前还有多项关键技术有待攻克,这都要靠科技创新。”

对话·成都

扎根成都多年

核聚变相关技术已反哺基础行业

事实上,中核集团核工业西南物理研究院原位于乐山市郊区,后来考虑到地域、政策、交通、产业环境、人才等多方面因素,才搬迁至成都市近郊新建了聚变研究实验基地。

段旭如表示,“成都及周边区域在核技术、制造加工、新材料等领域有完整的研究体系,同时高校院所资源丰富,已形成一个完整的创新链。在核聚变领域,成都地区不仅已建成多座国家大科学装置,还有多家科研单位从事相关的研发工作。可以说,在核聚变研究领域,成都是一个‘重镇’。”

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在成都打造具有全国影响力的科技创新中心的新机遇下,随着新一代“人造太阳”的投入运行,未来,核聚变研究在成都大有可为。同时,核聚变研究中间技术——等离子体应用技术在半导体、环保、生物医学以及国防建设等多个相关领域有广泛的应用,可以为基础行业提供技术支撑。

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段旭如透露,在进行核聚变研究的同时,中核集团核工业西南物理研究院也致力推动核聚变中间技术的成果转化,比如,等离子体镀膜、环保、材料表面改性等。这些新技术、新工艺、新产品已广泛应用于工业、科研与日常生活等多个领域。

核聚变研究道阻且长。但作为一名“逐日”的科研工作者,段旭如依然始终如一地努力向前奔跑。