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“科学岛”铬污染治理研究取得重要进展

新材料可高效吸附水体和土壤中重金属污染物
合肥在线  2017-07-17 01:31   稿源: 合肥在线-合肥日报

【专题】合肥综合性国家科学中心

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  合肥科学岛“人造小太阳”再创世界纪录

  近日,位于合肥科学岛的国家大科学装置——世界首个东方超环全超导托卡马克(EAST)物理实验再传捷报:首次获得101.2秒的长脉冲稳态高约束模(H模)等离子体,约束性能达到H98=1.1,超过未来国际热核聚变实验堆(ITER)基本运行模式的H98=1。EAST成为世界上首个实现稳态H模持续时间达到百秒量级的托卡马克核聚变实验装置,这一里程碑性的科研成果,标志着我国在磁约束聚变稳态运行研究上,继续引领国际前沿。

人造小太阳-世界首个全超导托卡马克核聚变实验装置EAST

  核聚变能因其无限、清洁、安全的特点和优势,成为人类社会未来的理想能源。太阳内部源源不断地发生核聚变而产生能量,如果能够在地球上建造一个像太阳一样不断发生核聚变的装置,人类或许就能解决能源问题。为了这个人类的能源梦想,全世界一代又一代的科学家们数十年如一日为之奋斗不息,科学岛上的小太阳团队就是为了实现人类能源梦想而奋斗。

  ITER计划是当前世界上规模最大的国际科技合作项目,长脉冲稳态H模运行是EAST和未来ITER的重要科学目标,也是聚变能走向应用需要解决的关键问题。作为ITER投入运行前国际上最重要的长脉冲聚变实验平台,EAST在国际聚变舞台上正发挥着越来越重要的作用。在2016年物理实验基础上,EAST团队通过进一步集中解决长脉冲时间尺度下的等离子体加热与电流驱动、高性能等离子体稳定性控制、等离子体与壁相互作用、杂质输运和控制、关键分布参数的实时诊断等与稳态运行密切相关的一系列关键技术和物理问题,达到了对运行控制与多尺度物理过程的有效兼容集成,于7月3日成功获得超过100秒的稳态H模放电。EAST在国际上率先获得百秒量级的高性能长脉冲H模,对ITER和未来聚变堆意义重大。H模是未来ITER的基本运行模式,400秒长脉冲H模是其科学目标之一。EAST也是未来五年左右,国际上唯一有能力预演ITER-Like高参数400秒长脉冲H模等离子体的核聚变实验装置。

  近年来,EAST团队立足自主创新,以广迎四海的开放心态,通过开展广泛而深入的国内外合作,已将EAST打造成国际上最重要的稳态磁约束聚变实验平台。EAST的研究成果将为未来ITER长脉冲高约束运行提供重要的科学和实验支持,更将为我国下一代聚变装置——中国聚变工程试验堆(CFETR)的预研、建设、运行和人才培养奠定坚实的基础。

  “小太阳”科普:

  在合肥,科学岛是当地科技创新的实力的代表,也是合肥建设“大湖名城、创新高地”的重要组成部分,现在已然成为合肥的名片。街上拉个人问问,科学岛有啥,回答最多的莫过于等离子体所的“小太阳”。

  “小太阳”其实是“人造小太阳”的简称,也是媒体朋友的一个形象比喻。其学名是全超导托卡马克核聚变实验装置(英文名为EAST,因此又叫东方超环)。是不是很拗口?来,记者教你正确断句:全超导丨托卡马克丨核聚变丨实验装置。起了这么一个看起来高大上,念起来又老大难的名字,这到底是个啥东西呢?接下来的5分钟时间,请大家搬好小板凳,准备好笔记本/葵瓜子,让记者带你走进科学岛,探秘小太阳。

  Question1:“人造小太阳”是啥?

  先来分析下人造小太阳的学名。

  超导:是指某些物质在一定温度条件下(一般为较低温度)电阻降为零的性质。导体没有了电阻,电流流经超导体时就不发生热损耗,电流可以毫无阻力地在导线中形成强大的电流,从而产生超强磁场。

  “托卡马克”是什么东东呢?它是俄语“磁线圈环形真空室”的缩写。

  至于核聚变,它是指由质量小的原子(主要是指氘或氚)在一定条件下(如超高温和高压)互相聚合,生成新的质量更重的原子核,并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。

  原来,全超导丨托卡马克丨核聚变丨实验装置是一个偏正结构短语,意思是,它是一个全超导的、托卡马克的、核聚变的、实验装置。

  现在应该很清楚了,“人造小太阳”是指使用全超导材料产生磁场、结构是环行真空的、用来做核聚变实验的装置。

  那么,问题来了,它跟太阳有什么关系呢?

  要知道,太阳之所以能够源源不断地释放光和热,这些都是因为其内部一直在发生着发生核聚变反应。而我们所做的,也正是模仿太阳的反应原理。人造小太阳是非常形象的比喻。

  Question2:为什么要做“小太阳”?

  能源的重要性不言而喻。随着时代发展,世界能源消耗量愈来愈大。目前,全世界的能源主要以煤、石油、天然气等化石燃料为主。近几十年来,几乎每十年增长一倍。且不说煤、石油等的储量很快会捉襟见肘,近年来困扰我们国家的雾霾问题也跟能源消耗大量增长有关。

  上世纪50年代开始,核电站开始登上世界舞台。与核聚变不同,这种核电站的反应原理不是原子的聚合,而是原子的分裂。但是它也有明显的缺点,一是会产生放射性废物,且很难处理,二是主要燃料铀的储量不丰富,且开采和提炼十分困难,三是有一定的安全风险,史上曾发生过核泄漏事故。

  相比较而言,核聚变能具有许多其它能源都无可比拟的令人神往的突出优点:首先它的原料储量极其丰富,其主要燃料存在于海水之中。大海的容量不用小编多说了,请大家自行脑补;另外,“燃烧”每单位质量的燃料释放出的能量非常大,这是核聚变能源的又一突出优点。“燃烧”一千克氘相当于四千克铀,相当于七千吨汽油或一万吨煤。也就是说“燃烧”l千克海水和燃烧210千克(300升)汽油所获得能量相当;此外,核聚变安全性高,且因为没有放射性产物,对环境几乎零污染。

  鉴于核聚变诸多的优点,加上当前国际上普遍面临的能源危机,因此,很多国家已经大力发展核聚变的研究。

  Question3:我们国家的“人造小太阳”做的咋样了?

  “小太阳”的前景美好,但是难度也相当高。这是因为,核聚变的反应条件相当苛刻,要把氘、氚的等离子体瞬间加热到1亿摄氏度,并至少持续1000秒,才能形成持续反应,让核聚变为人类所用。

  目前,中科院合肥研究院等离子体所自主研制的核聚变实验装置——东方超环在世界上首次实现稳态H模持续时间达到百秒量级,这一里程碑性的科研成果,标志着我国在磁约束聚变稳态运行研究上,继续引领国际前沿。

  值得一提的是,从设计到建设,整个项目的自研率在90%以上,取得了68项具有自主知识产权的技术和成果。

  2012年,东方超环获得411秒2000万摄氏度等离子体,并获得稳定重复超过30秒的高约束等离子体放电,创造了两项“托卡马克”运行世界纪录。

  2014年,东方超环顺利完成重大升级改造,有效提高辅助加热系统装置、内部重要部件、等离子体诊断系统等性能。已具备了挑战国际磁约束聚变最前沿研究课题的能力,成为未来五年世界上最有能力率先实现百秒量级长脉冲高性能等离子体放电的聚变实验装置之一。

  2016年实现电子温度超过5千万度持续时间102秒的超高温长脉冲等离子体放电,60秒的完全非感应电流驱动(稳态)高约束模等离子体。EAST的成功建设和运行获得国内外专家的高度赞誉,“是世界聚变工程的非凡业绩,是世界聚变能开发的杰出成就和重要里程碑!”《自然》和《科学》分别评价:“中国创造了聚变历史”、“在这里科学价值得到极大体现”。

  目前,由欧盟、美、日、俄、中、韩、印七方共同承担的国际热核聚变实验堆(ITER)计划,是全球规模最大、影响最深远的国际科技合作项目之一。该项目总投资几十亿欧元,中国投资额占9%。作为ITER中国工作组的主要参与单位,等离子体所承担了ITER多项高难度核心研制任务,并推翻原ITER电源等重大系统和部件的不合理设计,实现ITER大电流超导导体100%“中国制造”。

  ……

  一句话,中国的核聚变事业在世界上处于领先水平。

  合肥在线记者 秦鸣 通讯员 叶华龙

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