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    新興能源產業領航者 | /EN

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    能源之光:突破“卡脖子”,探索能源未知之地

    iNews 2022-05-10 11:30:00



    武漢新能源研究院,已在創新奔跑中,步入第六個年頭。


    2016年,我們背靠華中科技大學電氣學院、能源學院等多個優勢學科,以成果轉化為核心使命,市校共建了武漢新能源研究院。象征新能源之花的馬蹄蓮大樓,成為了光谷乃至湖北的創新地標。


    過去六年,新能源研究院一直圍繞兩個大的方向性任務不懈探索:清潔能源的規?;煤蛡鹘y能源的清潔高效利用。一批重塑未來格局的源頭創新,在這里發生;一批高質量的科技成果轉化項目在這里嶄露頭角。


    當前的武漢已全面吹響爭創綜合性國家科學中心、國家科技創新中心的號角,并啟動建設光谷科技創新大走廊、東湖科技城,一批大科學裝置規劃,都與新能源密不可分??梢哉f,這是一場關于“新能源之都”的角逐,而如何用好新能源力量,共創低碳中國,更是未來城市角逐的主戰場。


    2022年,我們帶著「INEW能見」專欄來了,在這里,每周和你分享我們的創新故事,能見=看見,能源未來。新能源創新發展之路,道阻且長,這是我們的使命,更是新的長征。



    突破“卡脖子”,探索能源未知之地


    探索和抵達能源的未知之地,突破“卡脖子技術”,實現更多的“從0到1”,是武漢新能源研究院的使命,也是初心。


    在國家“雙碳”及“以新能源為主體的新型電力系統”戰略背景下,武漢新能源研究院以武漢市“965”產業發展規劃為指引,以事業部為活躍創新主體、孵化企業為創新成果載體,重點布局新型電工器件與儲能、先進電磁制造、碳捕獲利用與儲存、綠色氫能、新型電力系統、固廢資源化處理等六大方向。


    圍繞源頭創新,華中科技大學國家重大科技基礎設施脈沖強磁場實驗裝置,已成為國際領先的脈沖強磁場裝置之一;J-TEXT托卡馬克核聚變裝置,以磁約束核聚變的方式,探索形同終極能源的“人造太陽”,并積極參與了國際熱核聚變實驗堆ITER計劃;華中科技大學教授、中英納米能源材料研究中心執行主任譚必恩研發團隊,突破性探索用有機聚合物做多孔納米材料,成為世界上第一批展開這類研究的科學家之一。


    武漢新能源研究院還與華中科技大學航空航天學院、武漢司南翼航公司合作,突破技術封鎖及專利壁壘引進的兩沖程重油航空發動機項目,填補了國內相關領域的技術空白,將廣泛應用于軍用和民用無人機及載人動力系統。


    圍繞碳捕集、利用與封存(CCUS)這一戰略技術領域,華中科技大學等我國19家高校院所,與西弗吉尼亞大學等7家美國高校院所,在先進發電技術、大型碳捕集示范項目合作與知識共享、二氧化碳封存與利用、先進煤轉化技術研發、系統分析與建模等五個領域,協同攻關已長達十年。


    2021年,武漢新能源研究院緊隨國家“碳達峰、碳中和”戰略,加快布局“雙碳”領域。近一年時間,能源院與中國電建集團江西省電力建設有限公司、武漢職業技術學院共建“碳中和產業學院”;成功舉行了“3060全國碳市場啟動儀式暨首屆氣候投融資高峰論壇”、“科創中國”2021 中國“雙碳”高峰論壇、2021 年湖北雙創活動周第 111 期光谷青桐匯“碳達峰、碳中和”等多場活動;并發起成立“武漢碳中和產學研促進會”,推動“雙碳”產學研用縱深發展。



    磁約束核聚變托卡馬克裝置

    “人造太陽”,為人類終極能源而戰


    在古希臘傳說中,太陽是天火,普羅米修斯將“天火”引到人間。


    人類文明進入工業文明以來,幾乎一直依賴化石能源驅動。但無論石油還是煤炭,終有開采殆盡的一天。屆時,人類將何去何從?


    不僅如此,在使用過程中,化石能源產生的大量溫室氣體和污染,也令地球生態岌岌可危。


    多年以來,多國科學家一直致力于尋找一種“終極能源”,長遠解決人類能源危機。


    最終,大家將希望投向一切自然能源的起點——太陽。由于自身質量重、溫度高、引力大,太陽通過連續發生氫聚變成氦的核聚變反應,最后產生光和熱。巨大的質量,已支撐其燃燒了約46億年,目前正值壯年。


    太陽的核聚變,屬于引力核聚變,在地球上無法復制??茖W家希望模擬太陽的聚變原理,通過特殊的托卡馬克裝置,以磁約束核聚變的方式,造出“人造太陽”,控制并利用強大的聚變能。


    過去5年,武漢新能源研究院在風、光、水、熱等新能源的利用與成果轉化上,已成為光谷乃至湖北的標桿。馬蹄蓮新能源大樓,更成為光谷地標性建筑。


    但作為一家工業技術研究院,武漢新能源研究院的使命,不僅僅是“立地”,還要能“頂天”。所謂立地,就是實施科技成果轉化,將成果推向市場,讓“紙”變錢。而頂天,則是背靠華中科技大學優勢學科,關注重大前沿基礎研究和科技“無人區”,為未來謀遠。


    在華中科技大學聚變與等離子體研究所,華中科技大學電氣與電子工程學院副院長張明,為我們掀開了實驗室J-TEXT托卡馬克裝置的面紗。


    高校第一:全程參與ITER計劃



    1988年,一項名為ITER的國際熱核聚變實驗堆計劃,被正式提出。這項計劃要挑戰看似天方夜譚的任務——集結多國科學家力量,聯手打造一個能產生大規模核聚變反應的超導托克馬克裝置,造出“人造太陽”。


    托卡馬克,是一種利用磁約束來實現受控核聚變的環形裝置。它的中央是一個環形的真空室,外面纏繞著線圈。在通電的時候,托卡馬克內部會產生巨大的螺旋型磁場,將其中的等離子體加熱到極高溫度,以達到核聚變的目的。


    按照設計,ITER將能利用50兆瓦的加熱功率,產生500兆瓦的聚變功率。


    但是,想要發生核聚變并不容易。作為目前世界最大的托卡馬克裝置,ITER需要加熱到1億攝氏度,才能引發等離子體的核聚變。太陽的表面溫度約5500攝氏度,中心溫度約2000萬攝氏度,這意味著ITER的聚變溫度,相當于太陽內核溫度的5倍。


    2003年,基于能源長遠的基本需求,我國加入ITER計劃談判。該計劃的成員國,包括中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國,覆蓋的人口接近全球一半。


    ITER是當今世界規模最大、影響最深遠的國際大科學工程,華中科技大學全程參與了我國加入ITER計劃的論證和籌備工作。


    與此同時,還與ITER組織簽署了《學術與科學合作協議》,承擔了大量ITER國內配套研發項目,獲得ITER專項、國家重點研發計劃、973計劃等項目與課題50余項。華中科技大學聚變與等離子體研究所(以下簡稱“聚變所”)多位成員,均為ITER物理研究組(ITPA)專家,曾派出科學家前往ITER負責彎晶譜儀診斷系統的研發。積極參與ITER極向場電源變流器的設計,解決ITER裝置磁體電源變流器橋臂均流等多個設計難題,為變流器關鍵部件的研制提供了重要支撐。


    就在中國加入ITER計劃同年,華中科技大學建成了國內高校唯一、全國三大托卡馬克裝置之一的J-TEXT托卡馬克裝置。


    在核聚變研究方面,我國實力最強的兩家科研院所,一個是位于合肥的中科院等離子所,一個是位于成都的核工業西南物理研究院。華中科技大學作為磁約束核聚變教育部研究中心的掛靠單位,在國內也具有很強的影響力。


    但截至目前,全世界的托卡馬克裝置,還沒有一個實現聚變能,包括ITER。2021年7月28日,ITER的主機正式開始組裝,國家主席習近平專程向ITER發去賀信。


    類似于芯片的摩爾定律,近年來,托卡馬克裝置每隔幾年性能就會翻倍。中國希望,能在2030年,攻克可以發電的中國聚變工程實驗堆裝置(CFETR),并在2050年,實現并網發電。


    世界挑戰:“人造太陽”的破裂研究


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    在華中科技大學聚變與等離子體研究所,J-TEXT托卡馬克裝置幾乎占滿了一個高達幾層樓的巨大實驗室,看上去就像從太空飛船上拆下來的發動機。


    在這個托卡馬克裝置的中心,是一個類似游泳圈的環形容器。核聚變的反應過程與核裂變相反,是幾個原子核聚合成一個原子核的過程。只有較輕的原子核才能發生核聚變,比如氫的同位素氘(dāo)和氚(chuān)之間發生的“氘氚聚變”。


    托卡馬克裝置通電后,在極高溫度下,“游泳圈”內會出現一道環形“閃電”,這道電弧就是等離子體。構成等離子體的氘原子核和氚原子核,因互相碰撞,會生成新的氦原子核,同時會產生中子,核聚變就發生了。


    完全可控的核聚變,之所以迄今在全世界還未實現,就是因為極限挑戰和不可控因素太多。例如聚變堆材料問題、聚變燃料氚的自持問題、等離子體破裂問題等等。


    2007年,華中科技大學J-TEXT托卡馬克裝置點亮。目前,實驗溫度可達1500萬攝氏度。


    控制等離子體非常困難,相當于要控制一道閃電,還要把它牢牢地拴在里面。為了駕馭這道“閃電”,只能通過磁場來控制等離子體,用磁力線將其牽制懸浮在“游泳圈”的磁軸上。這種懸浮,需要精準調控每一毫秒的電流大小,讓產生的磁力線剛好能讓各個角度的力達到平衡。


    即使“閃電”懸浮在磁軸中央,靠近圈壁的邊緣溫度依然極高。托卡馬克中等離子體肉眼是不可見的,因為等離子體發出的不是可見光,它的發出的光的能量已經到了X射線的級別,在中心最高溫度的極限處,用可見光相機拍攝到是黑色的,就像黑洞一樣,溫度較低的邊緣反而能發出可見光,被相機拍攝到。


    動輒千萬度的溫度,無法直接測量,科研人員多是通過等離子體輻射的X射線的強度、能譜或者電子回旋輻射強度,來推測等離子體的溫度。


    在龐大的世界級“人造太陽”工程中,聚變所的特色和主攻方向,是聚焦等離子體的破裂研究,即等離子體假如突然破裂消失,該怎么辦。


    現在比較棘手的是,等離子體破裂機理不明,不知道什么時候會破裂,突然消失。那么高的溫度,帶著很大的能量,一旦突然破裂,就會脫離磁場,不受控制。這些四濺的能量,大部分會以熱負荷的形式作用在容器壁上,對容器產生極大的破壞。如果這些帶電粒子在逃逸過程中產生一個電子束,集中打在某一點上,破壞性是致命的。


    數據模擬顯示,ITER一次大破裂所造成的損傷,預計與240公斤TNT炸藥爆炸效果相當,相關修復費用至少達5億元,耗時超過24個月。而未來聚變電站功率,將達到2GW,遠超ITER的500MW水平,破裂毀傷效應會更大。托卡馬克聚變能研發首要難題是破裂問題,如果無法攻克,將意味著現有聚變研發路徑有較大風險。


    聚焦等離子體的破裂研究,主要是基于已有裝置的破裂進行數據挖掘,得到一些共性原因,判斷它什么時候會破裂。同時通過計算機數據模擬,甚至訓練人工智能算法,進行預測和預警。


    在國家重點研發計劃、國家磁約束核聚變能發展研究專項等項目資助下,針對破裂這一首要難題,聚變所聯合多家單位進行協同攻關,取得了系統性創新和突破:


    一是驗證了利用高頻三維脈沖磁場調控系統,來控制磁流體不穩定性的有效性,相關成果可為ITER提供全新、整套的磁流體不穩定性控制的中國解決方案。


    二是成功實現了對逃逸電流的完全抑制與高效耗散,為裝置的安全運行提供了重要支撐。


    華中科技大學J-TEXT裝置上的不穩定性和破裂緩解實驗數據,已被ITER收錄至破裂緩解定標數據庫。


    逐夢中子源:

    解決聚變材料和聚變中子產氚兩大技術難題



    在國際上的托卡馬克裝置就像煤爐子,現在只點燃煤爐子下面的木頭,煤還沒燒著,還有很長的路要走。想把“爐子”點著,讓“煤”穩定地自持燃燒,需要的加熱功率非常高,加熱成本也非常高。為了實現核聚變,一個兆瓦加熱,大約需要2000萬元。而ITER第一期就是75兆瓦,在這種功率下,才有可能達到上億度的高溫。


    聚變能雖然被視作人類的終極能源,但還有兩個重要技術問題沒有解決:


    一個是做聚變堆的材料,另一個聚變中子產制氚。


    在“氘氚聚變”中,將產生大量中子。中子不帶電,不受磁場的束縛,會穿透“游泳圈”逃逸出來。在這個過程中,攜帶巨大能量的中子會瘋狂擊打和穿越“游泳圈”,即中子輻照。因此,做“游泳圈”的材料,必須要承受核聚變中的中子輻照。目前還沒有材料能扛得住這些中子的瘋狂穿擊,亟待突破。


    中子“逃逸”以后,科學家們會在裝置外進行“抓捕”,并讓其減速慢化,類似裝上剎車片?!皠x車”的過程,又會摩擦生熱,中子的能量,便被集中回收起來,變成熱能,再轉化為電能。只要核聚變不停止,中子就會不斷逸出,人類對聚變能的使用,主要是通過這一方式。


    “氘氚聚變”之所以被視作終極能源,是因為相對于核裂變,不會發生爆炸危險,不會產生放射性物質殘留問題,同時氘元素在海水中取之不盡,不會像鈾資源那樣受到限制。


    但是,氚卻只能通過人工制備,從中子和鋰反應中提取,仍然稀缺。目前產量只能維持氫彈使用,尚不足以作為能源支撐。


    華中科技大學培育的聚變中子源項目,正在申請湖北省重大科技基礎設施。這項大科學裝置,主要就是為了解決聚變堆的兩個關鍵技術問題:一是解決聚變堆材料的研發問題,二是解決聚變中子產氚的技術問題。


    武漢新能源研究院是重要的成果轉化平臺,當前在聚變所研究中,特種電源技術對新能源的研究可以提供重要支撐。高壓大電流的變流器,在未來特高壓直流輸電中可得到應用。等離子體相關技術,還可用于等離子體推進、聚變火箭發動機等,對未來人類實現深空探測也有重大意義。


    等離子體還可以用于人工影響天氣,比如等離子體人工增雨、等離子體人工消霧等。作為大科學裝置,其控制系統技術、大數據采集與分析技術等,均可運用到未來新型電力系統的建設中。

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