中国可控核聚变领域的青年力量!33岁学者心系“小太阳”,科研报国家|专访

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中国可控核聚变领域的青年力量!33岁学者心系“小太阳”,科研报国家|专访
麻省理工科技评论 23小时前

23小时前

承载着几代中国聚变人的梦想,郑金星作为青年科研人员中的一员,如今活跃在核聚变研究的第一线,为早日实现可控核聚变解决人类能源问题贡献自己的力量。
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承载着几代中国聚变人的梦想,郑金星作为青年科研人员中的一员,如今活跃在核聚变研究的第一线,为早日实现可控核聚变解决人类能源问题贡献自己的力量。

核聚变能是未来清洁能源的重要发展方向,世界各国正在该领域进行技术追逐。日本大型超导托卡马克 JT-60SA 将于 2021 年建成并实验,国际热核聚变实验堆 ITER 也将于 2028 年建成。

可控核聚变领域的青年力量!中国学者心系“小太阳”,科研报国家

图 | 中国 EAST “东方超环” 超导托卡马克装置

在新技术的挑战面前,中国目前也在开展多项核聚变研究。2018 年 11 月,中科院合肥物质科学研究院的 “东方超环” EAST 超导托卡马克装置实现了 1 亿摄氏度等离子体运行等多项重大突破,获得的实验参数接近未来聚变堆稳态运行模式所需要的物理条件,标志着我国朝未来聚变堆实验运行迈出了关键一步。

EAST 装置为我国下一代聚变装置 —— 中国聚变工程实验堆(CFETR)的预研、建设、运行和人才培养奠定了基础。CFETR 是目前世界上最具雄心的可控核聚变研制项目,由中国自主设计和研制、并完全向国际开放合作的重大科学工程,正处于工程设计和预研关键阶段,目前大批科研人员正紧张地投入科研之中,预计在 2024 年完成聚变堆主机关键系统综合研究设施(CRAFT)建成,这也是 “十三五” 国家重大科技基础设施之一。

郑金星研究员也是其中一员,其主要研究方向是强磁场与等离子体约束作用机制及关键技术研究,他主要开展中国聚变工程实验堆大型超导磁体关键核心技术研究工作。

可控核聚变领域的青年力量!中国学者心系“小太阳”,科研报国家

图 | 《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人” 2020 年中国区榜单入选者郑金星

说起可控核聚变技术,它可谓人类能源问题的终极解决方案。如果对现有绝大多数能源进行溯源,不难发现的是,形形色色的能源归根到底都来源于太阳在过去和现在辐射到地球的能量,而太阳以及其它宇宙中恒星的能量来源,则是核聚变。

“氘 - 氚(D-T)” 核聚变可以说是最简单的核聚变之一,也是难度最低、释放能量最小的核聚变反应。根据质量亏损和质能方程式我们可以计算,同等质量的 “氘 - 氚(D-T)” 核聚变所能释放出来的能量大约是汽油的 2500 万倍。

与之相比,我们熟知的核电站利用的则是核裂变,也就是铀 235 原子分裂时产生的能量,其能量密度仅仅是氘 - 氚核聚变的百分之一。

可控核聚变领域的青年力量!中国学者心系“小太阳”,科研报国家

图 | “氘 - 氚(D-T)” 的核聚变反应产生氦(He)与中子(n)并释放核能

这意味着,核能有着比化学能、机械能相比大得多的能量密度:在人类已知的反应中,核聚变反应所能释放出来的能量仅次于正反物质湮灭。其实,核裂变发电本来是很好的零碳能源形式。然而历史上也曾记载过很多核电站的重大事故,例如切尔诺贝利事故和福岛核事故。

特别是福岛核事故之后,因人们对核裂变过程中在核辐射、核废料处理、反应过程控制、防止核泄漏等方面存在诸多疑虑,不少国家放慢、甚至取消了发展裂变核电的计划。

相比之下,核聚变则没有这些问题,因为氘 - 氚燃料的来源广泛,核反应过程中几乎没有核辐射,废料也几乎没有放射性,理论上反应也容易控制 —— 只需断电就可以终止,无需担心出现恐怖的核事故。因此,可控核聚变简直就是人类梦想中的能源形式,一旦实现,人类文明都有可能因此再上一个台阶。

心系 “小太阳”,坚持科研报国

可控核聚变还有一个十分亲切的名字 ——“人造小太阳”。简单地说,可控核聚变的目标就是造一个十分安全的 “小太阳” 用于供给能源。可是,几十年过去了,人类在核聚变发电技术方面仍然进展缓慢。这是因为,想要实现可控的人工核聚变难于上青天。

和平利用核聚变对于每个能源消耗大国来说都是一项重大战略项目。自上世纪 70 年代以来,中国科学家们也一直在研究开发较小版本的核聚变反应堆,集中选择托克马克装置为主要科研方向。

可控核聚变领域的青年力量!中国学者心系“小太阳”,科研报国家

图 | ITER 国际热核聚变实验堆设计图

托卡马克(Tokamak)是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。它的名字 “Tokamak” 是俄语,来源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、线圈(kotushka),这四种 “元素” 都是实现可控核聚变的必要部分,最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在 20 世纪 50 年代发明的。

简单而言,核聚变反应理论上只需要一个氘核和一个氚核就行。但是,如果只有 2 个原子核,很难撞到一起,也很难控制。所以我们需要创造核聚变能够稳定进行的条件,例如最直接的:

万事不决,升高温度,温度升高原子的速度就加快,那么单位体积内原子碰撞的概率就会升高。其实,增加密度和维持时间也能使得核聚变反应稳定进行,温度、密度以及维持的时间,这三者必须满足特定的条件,这叫 “劳逊判据”。

满足劳逊判据,聚变产生的能量就能维持聚变自身拧原子核消耗的能量,聚变才会持续下去,这个俗称聚变点火。EAST 设定的 1 亿度 1000 秒的目标,就是聚变点火,过了这个目标,聚变就会持续反应而不再需要外界输入能量。

而在托卡马克装置中,还应用到了 “磁约束”,即用磁场把原子核拧到一起。高温下,原子核与电子之间的连结被打破,电子离开原子核,简称 “电离”。剩下的那团原子核就叫 “等离子体”,带正电,只有带电才能被磁场约束,固定在一个小范围内。所以搞核聚变的单位经常叫什么等离子体研究所。

而一般来说,可控核聚变可以由高性能超导托卡马克装置完成,需要将上亿度等离子体、零下 269℃ 低温超导磁体、精确时空实时反馈控制、高热负荷等离子体与材料强相互作用等多项极端条件同时高度集成。这种复杂系统的设计和实验都是国际聚变界公认的难题和最前沿的研究领域。

带着对 “人造小太阳” 的憧憬和热爱,郑金星读博期间选择了核能科学与工程专业,并开始一步步追逐中国聚变梦想。谈及选择核聚变作为科研方向的原因时,郑金星告诉 DeepTech:“聚变工程实验堆是几代中国聚变人的梦想,期间不断面对着新困难和新挑战,(并在此过程中)迎来一个又一个技术革新。尽管这是国际公认的难题和最前沿的研究领域,但我始终坚信中国聚变工程实验堆能够建设并且实验成功,进而推动聚变商业示范堆建设,完成人类终极能源梦想。”

郑金星还表示:“其中,聚变堆堆芯功率与约束磁场的 4 次方成正比,如何提高大型超导磁体强磁场约束和稳定运行性能,是实现聚变堆稳态长脉冲高约束等离子体亟待解决的关键科学问题。” 而这也就成为了他的主要科研方向和奋斗目标。

读博期间,面对高于 3.4 倍国际热核聚变装置(ITER)储能的中国聚变工程实验堆超大型磁体的更加复杂的极端条件,郑金星学习并开展了 CFETR 大型超导磁体系统研究工作,同时也参加了 ITER 国际热核聚变大型超导磁体的研制工作。

在普林斯顿大学等离子物理实验室联合培养阶段,他也在国外导师的带领下,深入开展了磁约束聚变另一种先进技术途径 —— QAS 仿星器的研究工作。

2014 年博士毕业后,郑金星留在中科院等离子体物理研究所,陆续晋升副研究员、研究员和博导,并担任了中科院等离子体物理研究所一室主任,继续负责中国聚变工程实验堆超大型磁体系统研制工作,完成了纵场超导磁体实验件的工程设计工作,并开展了多组不同类型大型超导磁体处于大载流和高磁场快变波形切换极端环境超导磁体内交流损耗计算方法研究,解决了聚变堆实现高伏秒、高安全稳定裕度、高氚增值包层空间耦合磁体设计难题,为聚变堆等离子体长脉冲稳态运行提供可靠研究手段。

瞄准技术应用方向,开发关键共性技术

谈及 “核聚变” 技术的衍生发展前景时,郑金星十分激动地说:“在追逐聚变梦想的前进途中,非常欣喜能将创新完成的基于聚变堆强磁与等离子体相互作用关键共性技术,应用于新型大功率空间磁等离子体推进器(MPDT)。”

这也是一项未来前沿空间动力技术,将这种存在于科幻电影中的动力装置带到了现实中。近年来,随着研究工作的深入,郑金星在将核聚变领域应用的超导强磁约束技术拓展应用到空间某型号电推进领域,提出了空间推进器高梯度场下多维度羽流位型调控技术。

这是一次大胆而极具创造力的尝试,能够有效解决其推力、羽流位型等技术瓶颈,可实现相关空间平台大推力和高比冲运行,为空间动力系统性能提升提供技术手段,在未来航天平台和深空探测等领域有着重要意义。

未来可期,民用和航天两条腿走路

谈及下一阶段的研究方向时,郑金星表示:“结合国家未来民用和高技术能源领域战略目标,我下一个阶段的研究方向将继续围绕正在开展的中国聚变工程实验堆超导磁体关键技术开展深入研究,同时进一步瞄准空间超导型磁等离子体推进器开展相关性能验证工作。”

承载着几代中国聚变人的梦想,郑金星作为青年科研人员中的一员,如今活跃在核聚变研究的第一线,为早日实现可控核聚变解决人类能源问题贡献自己的力量。

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