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1、2019北京高考24题“猜” 课题：“东方超环中国人造太阳” 张老师 （平西湖的钢琴） （如果不对可作为练习题培养思维）材料一：中国“东方超环”获重大突破，成世界第一的理由不只3个据中科院等离子体物理研究所官网消息，我国大科学装置“东方超环（EAST）”日前取得重大突破。这次的突破不仅承载了等离子体所三代聚变人的聚变梦，也为人类开发利用核聚变清洁能源奠定了重要的技术基础。为了更好的了解这个大科学装置获突破的重要性，我们得先知道所谓的“东方超环（EAST）”是什么？东方超环（EAST）是我国第四代核聚变实验装置，其主要作用是让海水中大量存在的氘和氚在高温条件下发生核聚变，从而产生源源不断的清洁能
2、源。据悉，一升海水所含氘产生的聚变能=三百升汽油所释放的能量。而海水中氘的储量多到可以供全人类使用几十亿年。尤为重要的一点是，聚变产生的废料为氦气，既清洁，又安全。可能你也知道，东方超环（EAST）也被称为“人造太阳”。为什么它有“人造太阳”的美誉呢？这是因为EAST能实现或者说它的存在可以像太阳一样发生核聚变。当然，这个“人造太阳”之所以扬名海内外还有好多的理由理由一：东方超环是世界上第一个非圆截面全超导托卡马克（2016年首轮物理放电实验取得成功）。托卡马克是前苏联科学家于二十世纪五十年代发明的环形磁约束受控核聚变实验装置。其中，超导托卡马克能够使得磁约束位形能连续稳态运行，因而被公认为是
3、探索和解决未来聚变反应堆工程及物理问题的最有效的途径。也因此，当下，聚变研究的开展离不开超导装置。而超导托卡马克也已经成为国际热潮。理由二：东方超环是我国自主设计、研制并拥有完全知识产权的磁约束核聚变实验装置。所谓的磁约束核聚变实验装置是受控热核聚变能研究的主要方向之一，其利用强磁场可很好地约束带电粒子的特性，将氘氚气体约束在一个特殊的磁容器中并加热至数亿摄氏度高温，实现聚变反应。另一个方向为惯性约束核聚变，主要是利用超高强度的激光在极短的时间内辐照氘氚靶来实现聚变。怎么看，也是磁约束核聚变实验装置略胜一筹。理由三：东方超环已经成为国际上最重要的高参数长脉冲等离子体物理实验平台。从本质上说，托
4、克马克是一种脉冲装置，因为等离子体电流是通过感应方式驱动的。而我国的东方超环早在2016年成功实现电子温度超过5000万度、持续时间达102秒的超高温长脉冲等离子体放电。接下来，我们来看看到底这次我国的“人造太阳”在哪些方面取得了重大突破呢？我国的科学工作者们在四十年的核聚变研究征程中砥砺前行，使得我国的“人造太阳”在以下几个方面取得突破：1.0 加热功率超过10兆瓦；2.0 等离子体储能增加到300千焦；3.0 等离子体中心电子温度首次达到1亿度；4.0 在射频波加热为主、低动量注入、钨偏滤器等类似未来聚变堆条件下，实现了高约束、高密度、高比压的完全非感应先进稳态运行模式；5.0 适应于聚变
5、堆高性能等离子体稳态高约束模式的运行区间的有效拓展据专家介绍，此次获得的多项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，朝着未来聚变堆实验运行迈出了关键一步。最后，为什么高约束、高密度、高比压的完全非感应先进稳态运行模式的实现需要在钨偏滤器中进行呢？因为聚变实验堆及示范堆中面向等离子体材料（PFM）作为高温等离子体外围的第一道屏障，其耐高束流低能等离子体、稳态热流与瞬态热冲击、高能14MeV聚变中子辐照的能力是等离子体高参数稳态运行的保证。而钨（W）具有高熔点、高热导率、低溅射率、低燃料滞留与低中子活化等优良特性，是PFM的首选。所以，目前，国际热核聚变试验堆（TER）的偏滤器采用钨材
6、质，大型托卡马克如JET、ASDEX-U、WEST均进行了基于W-PFM的材料研发及应用。材料二：“东方超环”再突破，我国可控核聚变研究到底有多强 2017-07-05 21:31 来源:国际核电的那些事 原标题：“东方超环”再突破，我国可控核聚变研究到底有多强近日，中国科学院等离子研究所宣布，我国的超导托卡马克装置“东方超环（EAST）”在全球首次实现了百秒以上的稳态高约束运行模式（相当于稳定“燃烧”了上百秒）。这是一件足以写入人类历史的事情，“东方超环”今天的成就，标志着人类向掌握可控核聚变能的目标又迈进了一大步。早在上世纪三十年代，当科学家们发现聚变能后，他们就梦想着有一天人类能够使用上
7、这种清洁，便宜，取之不尽用之不竭的超级能源。为此，科学家们进行了不懈的研究，然而，核聚变的特点让科学家们一次次陷入绝望，这个特点就是，可控核聚变要求的条件极为苛刻，核聚变需要达到上亿摄氏度以上的温度！这种温度，几乎相当于太阳中心的温度。人类几乎没有达到这种温度（原子弹不能持续维持高温，不算）的技术。随着科技的发展，科学家们终于有了能够制造这种超高温的技术，如激光。但是，一个更加棘手的问题摆在了科学家的面前，如此之高的温度，能够让世间一切的材料化为灰烬。用什么样的装置才能够将上亿摄氏度的物质约束在一处，使其能够持续不断的产生能量，供人类利用呢？科学家们立刻就想到了磁场这一宇宙神器！在上亿度的高温
8、状态下，物质呈现等离子态，它们可以被磁场约束。当高温等离子体被约束住后，人们就可以持续地向这团等离子体中加入氚和氘，使其发生聚变，产生源源不断的聚变能。此时，人们只要将清除掉等离子体中聚变产生的废物（氦核），同时不断的补充氘和氚，便可以实现可控核聚变了！所以，实现可控核聚变的关键，是设计出一款能够约束超高温等离子体的磁场装置！明确了方向后，世界上的科学家们都迅速行动起来，一时间，直线箍缩装置，磁镜装置，仿星器装置，反向场箍装置，各式各样的磁场约束装置纷纷登场，但是令人失望地是，这些装置或者由于不能承受高温，或者耗能太大（能量输入大于能量输出），或者根本无法产生等离子体，都一一败下阵来。这里，不
9、得不提的是，我国可控核聚变起步很早，几乎和原子弹研究同一时间开始。当世界各国科学家们纷纷寻找可控核聚变方案的时候，我国科学家们也同样在埋头研究。上述的各种磁场约束方案，我国科学家们几乎将其试了个遍。这一时期，世界各国都在河里摸石头探索，虽然和其他国家一样，我国的可控核聚变技术这一时期没有取得技术突破，但是我国将能尝试的方案几乎都试了个遍，积累了大量的经验，同时也培养了大量的核聚变研究人才。我国在可控核聚变研究的起跑线上，并没有落后！1968年，是人类可控核聚变研究史上及其重要的一年。这一年，苏联科学家阿尔齐莫维奇发布了托卡马克磁约束方案，人类第一次利用磁场约束住了超高温等离子体，让人们第一次看
10、到可控核聚变的曙光。此后，科学家们便开始在托卡马克装置的研究上下苦功夫研究了。托卡马克装置也是从这个时候起，我国就开始建造托卡马克装置。在1970年末，我国的HL-1托卡马克装置，也就是俗称的“中国环流器一号”正式立项，并在1984年完成装置工程联调，在1985年，中国环流器一号正式投入物理实验研究。我国是托卡马克装置研究最早的国家之一，而且一开始就取得了不俗的成绩，在1986年日本举行的国际可控核聚变交流会议上，世界多国科学家都对我国核聚变取得的研究成果表示称赞。也就是说，从研究托卡马克装置开始，我国的可控核聚变研究就已经居于世界先进行列。所谓托卡马克装置，英文为TOKAMAK，这是由俄语中
11、的“环形”“真空”“磁”“线圈”四个单词的缩写构成的。即用水平和垂直的两个线圈构成真空磁场，约束等离子体的装置。在托卡马克装置的研究上，我国虽然不是首创者，但是却是研究最深入最持久的国家。从“中国环流器一号”，到“中国环流器新一号”，再到“中国环流器二号”，我国对托卡马克装置的研究一直没有停止过。而且取得了不俗的成绩。不过，早期的托卡马克装置研究不久，科学家们就遇到了瓶颈。托卡马克装置越接近使实用，其磁场要求也就越大，但是磁场线圈的电阻限制了电流的加大。而即使加大电流，线圈电阻造成的能量损耗也会随之越大，使得能量几乎入不敷出。这个缺点几乎给托卡马克装置判了死刑。幸运的是，不久以后，一项新技术拯
12、救了托卡马克装置，这就是超导技术。超导技术很好的解决了磁场电阻造成能量损耗的问题，使得托卡马克装置迎来了第二春。利用超导技术，世界上建成了一座超导托卡马克装置，另外还有三台半超导托卡马克装置。三台半超导托卡马克装置分别是法国的Tore-Supra，俄罗斯的T-15，日本的JT-60U。之所以是半超导装置，是因为这三台装置都只有水平线圈是超导的，而垂直线圈依然是常规线圈。这其中固然有成本的问题，但是技术问题还是主要原因。而世界上唯一一台全超导托卡马克装置，则是本次新闻的主角，我国的东方超环（EAST）！东方超环不仅实现了水平线圈和垂直线圈都是超导线圈，而且其反应体的容积更大，并首次做成了非圆形的
13、截面。这些细节方案都是中国原创，属于世界最先进的可控核聚变装置。东方超环（EAST）东方超环（EAST）的意义，不仅仅是让我国可控核聚变技术于领先世界，更是标志着中国以成为了世界可控核聚变研究中的领导者。1985年，前苏联，美国，日本和欧共体（欧盟前身）就提出了“国际热核聚变实验堆计划” （ITER），目的是建造一座可控核聚变反应堆，让人类首先能够在实验室内实现可控核聚变。当时，这个计划将中国排除在外，毕竟人家是超级大国，我国还处于改革开放初期，刚刚吃饱饭。可惜的是，这个计划由于前苏联垮台，欧美内讧，技术有限等原因最终流产。2003年，这个计划再次各国谈起，我国以不断壮大的经济体量和领先世界的
14、可控核聚变研究经验，成了首先加入这个计划的国家。此后，韩国和印度也加入了这个计划。东方超环（EAST）正是这个几乎的关键试验装置。东方超环（EAST）东方超环（EAST）的意义，不仅仅是让我国可控核聚变技术于领先世界，更是标志着中国以成为了世界可控核聚变研究中的领导者。1985年，前苏联，美国，日本和欧共体（欧盟前身）就提出了“国际热核聚变实验堆计划” （ITER），目的是建造一座可控核聚变反应堆，让人类首先能够在实验室内实现可控核聚变。当时，这个计划将中国排除在外，毕竟人家是超级大国，我国还处于改革开放初期，刚刚吃饱饭。可惜的是，这个计划由于前苏联垮台，欧美内讧，技术有限等原因最终流产。20
15、03年，这个计划再次各国谈起，我国以不断壮大的经济体量和领先世界的可控核聚变研究经验，成了首先加入这个计划的国家。此后，韩国和印度也加入了这个计划。东方超环（EAST）正是这个几乎的关键试验装置。国际热核聚变实验堆计划（ITER）虽然参与国众多，但我国的东方超环完全是依靠我国技术独立建造的。“东方超环”作为世界上第一个全超导非圆截面核聚变装置，挑战了人类在超高温（等离子体形成），超低温（超导维持），超大电流，超强磁场和超高真空（等离子体约束）技术方面的极限。完全没有参考技术，完全靠我国的科学家们潜心研究。在我国东方超环成功启动后，我国就已经成为了国际可控核聚变研究的领导者。此后，中国超环不负众
16、望，不断取得领先成果，一步步向可控核聚变迈进！2015年，东方超环获得了超过400秒的2000万摄氏度高参数偏滤器等离子体，获得了稳定重复超过30秒的高约束等离子体放电，这分别是国际上最长时间的高温偏滤器等离子体放点和最长时间的高约束等离子放电，标志着我国可控核聚变已经代表了国际可控核聚变研究的最高成就。而几天前，“东方超环”在全球首次实现了百秒以上的稳态高约束运行模式，再次创造了人类可控核聚变研究的新高度。未来，还有更多惊喜！几十年如一日，我国可控核聚变研究从未落后，从未停滞，不断超越，已经走到了国际可控核聚变研究的最前沿。未来人类必将完全掌控可控核聚变，而最先掌握可控核聚变技术的国家必然是中国。西二1人类一直在追求能源的开发和有效利用，太阳能的利用非常广泛，而太阳的巨大能量来源于太阳内部所发生的核
