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核聚变,启动!人造太阳“洪荒70”真被技术宅点亮了

2024-06-25 17:51:08 夏菲,谢宇恒 阅读:
上海能量奇点官网日前发布消息表示,其设计研发建造的“洪荒70(HH70)”装置基于局域螺旋磁通量注入(电子枪)和离子回旋加速器加热(ICRF)两种预电离方法进行了放电实验,并成功获得了第一个等离子体。这意味着,全球首台全高温超导托卡马克装置的工程可行性获得验证。这也为米哈游宣称的“技术宅拯救世界”增添了几分说服力。

可控核聚变也叫“人造太阳”,被认为是人类的终极能源,作为一种潜在的清洁能源,可以彻底改变电力行业,因此一直备受关注。事实上,中国一直在积极探索核聚变技术,并将其发展纳入年度政府工作报告,中国政府还修订了《原子能法》,以指导包括核聚变研发在内的核电监管工作,上海于2022年9月率先发布未来智能、未来能源等五大未来产业高地行动方案,可控核聚变就属于未来能源范畴。k5Nednc

而在日前,上海能量奇点官网发布消息表示,其设计研发建造的“洪荒70(HH70)”装置基于局域螺旋磁通量注入(电子枪)和离子回旋加速器加热(ICRF)两种预电离方法进行了放电实验,并成功获得了第一个等离子体。这意味着,全球首台全高温超导托卡马克装置的工程可行性获得验证。k5Nednc

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如果单说能量奇点可能会比较陌生,但是其股东之一相信很多游戏爱好者可能都有所耳闻,那就是做出了原神的米哈游。k5Nednc

虽然米哈游一直宣称“技术宅拯救世界”,但由于可控核聚变是一个动辄需要十亿、几十亿美元研发投入的新技术,且即便已经投入了几十、上百亿美元,但距离真正的成功,真正的商用依然很远,因此当时大多数人对于米哈游的这项投资(6300万美元,约4亿人民币)并不看好。k5Nednc

事实也正是如此,在过去两年中,能量奇点团队遇到了多重挑战,包括探索高温超导磁体的绕制、绝缘、浸渍、组装等工艺,确保将高温超导带材加工成磁体后性能不衰减,也包括制备电阻值在纳欧级别的高温超导磁体接头,以及自主研发控制高温超导托卡马克装置运行的中央控制系统等。k5Nednc

好在,受益于上海完整的核电产业集群和高温超导材料产业集群,自2022年3月启动设计以来,能量奇点在两年内完成“洪荒70”的设计和建造,实现全球全高温超导托卡马克装置研发建造的最快纪录。k5Nednc

能量奇点CEO杨钊表示,“洪荒70”装置该由能量奇点研发建造,中心场强达到0.6特斯拉,等离子体大半径为0.75米,由26个高温超导磁体构成,具有自主知识产权,国产化率超过96%,磁体系统全部采用高温超导材料加工建造。k5Nednc

洪荒70的成功放电不仅在全球范围内率先完成了高温超导托卡马克的工程可行性验证,而且标志着中国在这一关键领域取得了先发优势。k5Nednc

高温超导托卡马克有何不同

托卡马克的概念最早是由苏联物理学家在 20 世纪 50 年代提出的,从那时起,托卡马克一直是全世界广泛研究和开发的主题。k5Nednc

具体来说,托卡马克是一种利用磁场将等离子体--一种由离子和电子组成的高温带电物质--限制在一个被称为环形结构的甜甜圈内,从而利用核聚变能量的装置。磁束缚对于维持等离子体足够长的时间和足够高的温度以发生聚变反应至关重要。k5Nednc

在托卡马克中,多个磁线圈在两个主要方向上产生强大的磁场:k5Nednc

  • 环形磁场: 这是环形磁场的长方向,由环绕在环形磁场周围的线圈产生。
  • 极环形磁场: 这是环形磁场的短路线,由中央螺线管和附加磁场线圈产生。

这些磁场的组合形成了一条扭曲的路径,将等离子体粒子限制在其中,使它们能够碰撞和融合,并在此过程中释放能量。这种磁约束被认为是实现受控热核聚变的最有前途的方法之一,有可能提供几乎无限的清洁能源。k5Nednc

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而托卡马克装置中非常重要的一个部分就是超导体,因为只有借助超导体的零电阻特性才能在不熔毁设备本身的情况下更好的产生足够约束住等离子体的强大磁场。能量奇点的托卡马克装置的独特之处也正是在此,其所谓的高温超导体并不是指我们日常生活中所说的几百几千度的高温,而是相当于常规超导体接近绝对零度的高温,具体来说是指在液氮温度77K(-196℃)以上超导的材料。k5Nednc

使用高温超导材料的好处在于可以大幅提升聚变装置的约束磁场强度,能够在实现装置小型化、低建设成本的同时大幅提高聚变能源参数,从而显著提升装置性价比,加速商业化。k5Nednc

什么时候可以实现核聚变商用?

虽然能量奇点的高温托卡马克装置已经在工程上被证明是可行的,但毕竟只是一个实验性的平台,想要实现真正的大规模持续放电的核聚变电厂,还需要解决众多难题:k5Nednc

  • 怎样将等离子体加热到聚变温度并保持其稳定,将等离子体加热到聚变温度需要极大的能量输入,需要高效的能量转换技术来实现聚变反应的正能量输出,同时高能量的等离子体十分容易受到外界的扰动,需要专门的磁场设计来保持稳定约束状态
  • 第一壁的材料选择,第一壁是核聚变中面对等离子体的一层固体结构,也就是真空室壁,用于封闭等离子体,等离子体中逸出的氢离子的溅蚀会引起壁材料的严重腐蚀,因此第一壁材料需要很强的耐高温耐腐蚀特性,目前的材料很难达到要求
  • 装置大型化的挑战,能量奇点CEO杨钊表示,目前全球虽已建造了100多台托卡马克装置,但“洪荒70”用高温超导材料建造托卡马克装置来控制和约束等离子体,此前无先例可循,这意味着大型化的高温超导托卡马克装置建设没有可以借鉴参考的对象,需要能量奇点完全自主从零开始

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不过,好消息是在“洪荒70”之后,下一代强磁场高温超导托卡马克装置“洪荒170”目前已在物理设计阶段,明年将开始工程设计。该装置以实现氘氚等效能量增益大于10为目标,预计2027年建成。据记者了解,美国CFS公司于2022年开建一台名为SPARC的高温超导托卡马克装置,计划明年建成,能量增益目标同样大于10。“洪荒170”与SPARC相比虽有约2年的时间差距,但前者的尺寸和成本在全球范围内极具优势。k5Nednc

另悉,能量奇点计划2030年后建成可用于示范性聚变发电站的托卡马克装置,为商业化铺路,也就是说我们有望在十年之内见到核聚变商业化的曙光。k5Nednc

责编:Ricardo
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