在浩瀚的宇宙中,太阳是地球上能量的来源,每天清晨,太阳从东方升起,用它的光芒和热量哺育着地球上的生命。随着人类社会的发展,对能源的需求也日益增加,传统化石燃料必将被耗尽。我们在燃烧化石燃料时,其实是在释放远古生物存储的太阳能,这种存储的速度远远跟不上人类消耗的速度。
在这样的背景下,科学家开始考虑:既然太阳可以源源不断释放能量,那么我们能不能模拟一个小太阳呢?太阳之所以能不断释放能量,是因为其内部时刻进行着核聚变反应,这种反应通过极高温度和压力将氢原子融合为氦,只需要极少的反应物,就能释放出极大的能量。因此,可控核聚变就成了解决能源危机的关键。而在核聚变这个领域中,有一项技术一定绕不开,那就是电子回旋共振加热技术。
合肥市西郊有一座小岛——科学岛,这座看似普通的小岛,其实是中国核聚变研究的摇篮。1978年9月,合肥受控热核反应研究实验站在此成立,陈春先、严陆光、邱励俭、季幼章等老一辈科学家在这里开始了轰轰烈烈的聚变研究。发展到今天,重担落到了EAST肩上,这个充满未来感的庞然大物,仍在为无限清洁能源的愿景不断努力。
什么是EAST?EAST全称为“全超导托卡马克核聚变实验装置”,也被誉为东方超环,是中国独立研发的全球首个全超导非圆形截面托卡马克核聚变实验设备,其独特的全超导技术和非圆截面设计,能够在各种极端条件下运行,包括超过1亿摄氏度的超高温等离子体、零下269摄氏度的超导磁体温度、超过100万安培的等离子体电流、超过3.5特斯拉的磁场强度及超高真空环境。这些极端条件的实现,标志着中国在磁约束核聚变研究领域达到了国际先进水平。EAST装置不仅是中国核聚变研究的一个里程碑,也是全球核聚变研究的重要一环。
在核聚变反应中,等离子体的温度会被加热到1亿摄氏度以上,氢元素的原子核发生聚变反应,释放出大量能量。如何把等离子体加热到1亿摄氏度高温?ECRH系统成为加热过程中的“秘密武器”。
ECRH全称为电子回旋共振加热系统,里面产生的波主要集中在微波波段,微波是电磁波谱的一部分,而毫米波是微波中频率较高的一部分。用通俗的话来说,ECRH系统就像是专为等离子体加热设计的“微波炉”。众所周知,微波炉是利用微波来加热食物的,ECRH则通过特定频率的微波来加热等离子体中的电子。家用微波炉使用的是电磁波谱中的微波频段,在加热食物的时候,这些微波有一个特别的“超能力”——它们能让食物中的分子“跳舞”起来。微波能让分子在短时间内高速旋转、振动,就像是被激活了一样。这种剧烈的运动会产生热量,而热量会传递给周围的分子,从而加热整个食物。想象一下,科学家利用强大的电磁波将托卡马克内的等离子体加热到比太阳芯部温度高10倍的温度,仿佛点燃了一个恒星。
ECRH系统发射的微波注入等离子体,使其通过共振吸收进行加热。ECRH系统不仅为EAST提供了重要的加热手段,对EAST的控制也是一把好手。在EAST实验中,ECRH系统的应用,不仅可以帮助提升等离子体温度,还能帮助科学家更加精确地控制等离子体的状态,对避免等离子体的不稳定、避免实验失败具有决定性作用。
稿件来源:市科学技术协会