客观日本

等离子核合成领域中基地大学方式的日中交流事业

2012年03月31日 科技交流

在日本学术振兴会(JSPS)与中国科学院(CAS)的支持下,作为人类终极能源而备受瞩目的控制热核合成领域的交流事业自2001年开始至今已经迎来了第9个年头。此学术交流以“炉心等离子性能改善”、“核合成炉工学的基础研究”以及“核合成等离子的理论与计算机模拟”三大研究内容为核心支柱,主要目的在于建立和扩大日中两国关于等离子核合成领域的研究圈。以下对该交流事业的发起、经过以及成果做一汇报并简单谈一谈对本交流事业今后的展望。

 1.交流事业的发起经过

受全球气候变暖的影响,能源・环境问题近年来备受瞩目,大概在50年以前核合成发电作为终极能源之一开始被人们关注。核合成是宇宙中的常见现象,其最被大家熟知的例子就是作为生成太阳能的来源。当前的目标是在地面上以一种可控方式实现核合成发电,实现重氢与氚这种较易于进行的原子核合成反应。作为燃料的重氢可从海水中获得,其在地球上的分布也不存在不均衡的问题,而且从量上讲也是取之不尽的。重氢与氚的原子核都具有正电荷,由于电力排斥作用并不容易进行合成。为具备能够克服排斥作用的能量,需将重氢与氚的原子核做超高温加热处理实现并持续进行核合成反应。具体而言,需要在用磁力线做成的圈状磁气容器中在1亿度温度、等离子在每1立方体积1,020个以上粒子密度的情况下,将等离子恒常保持在能量关闭时间约为10秒的条件下。这里所说的能量关闭时间是指在停止给等离子加热时,等离子温度减少到原温度1/3时所需要的时间。原子核在进行超高温处理的情况下,会变成离子与电子的集合体即等离子,从整体上来看处于电力的中性状态。为实现核合成,必须要生成超高温的等离子并保持其长时间的稳定,但是这种情况下等离子处于紊流状态易于扩散流失,所以需要长时间的研究。从近年来的发展趋势来看,在核合成等离子关闭装置的建设与维持上需要耗费巨额资金。这种现状也加速了核合成研究的国际合作。

中国将核合成视作具有未来开发前景的能源于1980年代后半期开始了用于小型学术研究的托卡马克装置的基础研究。名古屋大学原等离子研究所进行的等离子的大电力高频加热技术当时发展迅速,在核合成科学研究所成立后不久,位于中国安徽省合肥的中国科学院・等离子体物理研究所(等离子物理研究所)就提出了进行学术交流的请求。自此,从1990年之后日中两国在等离子的高频加热领域开始进行学术交流。之后,日本与四川省乐山的西南物理研究所和北京的中国科学院物理研究所的交流也逐渐开展起来。日本关于等离子的高频加热技术与等离子诊断技术的研究经验和成果传到中国后,中国方面的相关研究也逐渐得以发展。这样,日中两国研究者的交流正式得以开展,积累了不少研究成果。在上述基础上,日中两国为在等离子核合成领域实现更广泛的合作,在日本学术振兴会与中国科学院的支持下,以基地大学方式开展的日中合作事业的21世纪第一个10年计划于2001年开始了。

2.交流事业的目的与实施形态

本交流事业,以建设和扩大日中间等离子核合成领域的学术交流网络为主要目的。在日本和中国的基地大学设立研究机构,配置协调员或副协调员。他们与受各基地大学委托的约30名专家即交流事业的核心人物共同对交流方案进行调整。各基地大学指的是各自然科学研究机构・核合成科学研究所以及中国科学院・等离子体物理研究。参与到此合作事业的日中研究机构和大学可参考下图。日中两国几乎所有从事等离子・核合成研究的机构都参与到了此事业中,在各方的积极推动下,到目前为止学术交流已经开展了8年。研究圈逐渐扩大,平均每年日方派遣人员达50名、计400人/天,中方的接收人员达50名、计800人/天。

图1 参与基地大学交流的日中两国的研究机构和大学

3.交流概要和主要成果

本交流事业,为了确保在实现先进核合成炉的过程中不遗漏重要课题,设定了①“炉心等离子性能改善”②“核合成炉工学的基础研究”③“核合成等离子的理论与计算机模拟”三个主要研究类别。第①类别的研究中心为磁封闭核合成的实验研究、以及与此相关的高温・高密度等离子的生成加热、安定性及封闭特性改善的试验研究以及等离子加热技术、高性能等离子诊断装置的开发等。等离子工学应用领域的一部分内容与等离子・壁间相互作用的关联性也包含在研究范围之内。除此之外,不仅局限于磁场核合成,由高强度激光生成的极超高密度等离子及利用其生成的极超高密度等离子进行的激光核合成等离子物理的研究也包含在内。第②个研究类别是包含炉工学相关的超传导技术、炉材料开发、炉系统技术的综合研究在内的基础学术研究相关课题。第③个类别的重要课题为建立高度等离子理论以期理解核合成炉心等离子体系、使用超级计算机进行模拟研究。最近的主要课题为磁封闭等离子宏观稳定性、由等离子紊流导致的粒子和热能的传输现象、激光生成极超高度等离子生成过程、等离子与固体壁的相互作用、炉内部灰尘形成过程。

在磁场封闭核合成研究中,日中两国在众多的托卡马克型、螺旋型以及镜型的磁场封闭实验装置方面也在推进共同研究。自交流事业开始至今,有的装置已完成实验目的,有的装置新近完成正在供共同实验使用。前者的代表为日本原子力研究开发机构的JT -60U托卡马克,该装置被众多中国研究者引进,2008年中期使用完毕,现在要将其改修成JT-60SA托卡马克,改修建设工作已经开始。后者的代表为等离子体物理研究所的EAST托卡马克型(图片1(a)),该装置于2004年后半期开始启动。螺旋型装置的代表为核合成科学研究所的LHD(图片1(c)),日方目前为进行等离子加热和等离子诊断装置的开发,从中国吸收了很多研究者。小型的球状圆环面装置SUNIST(清华大学)和LATE(京都大学)正有效应用于共同研究》(图片1(b)及(d))。

图片1(a)EAST托卡马克型 (b) SUNIST小型的球状圆环面装置(c) 螺旋型装置LHD (d) LATE球状螺旋装置。图片显示了EAST、LHD及LATE的磁气面断面的形状。这里R与a分辨表示圈状等离子的大小半径。

利用LHD与HT(等离子体物理研究所)以及EAST的离子回旋加速器波频率数帯的高频率加热用振荡装置及天线的共同开发,以及由此实现的等离子1小时的持续时间(能量封闭时间约为0.2秒)的长时间保持,利用HT-7(ASIPP)实现长达5分钟的托卡马克等离子生成等试验均获成功。利用LHD进行的固体氢颗粒射入、超音速燃气喷气式飞机(西南物理研究院开发)的射入燃气补给法的开发都在日中的封闭装置中得到了有效利用。而且,根据LHD和JT -60U开发了各种高度等离子诊断装置,各装置的制作经验被应用于HL-2A和EAST托卡马克,由此各装置设备都得以改良,这对等离子封闭研究的发展贡献颇多。目前最重要的课题是核合成炉中由核合成反应生成的燃烧气体和多余燃料气体等的排放和扩散到固体壁的热量去除,需考虑在磁气容器中设置特别磁场构造(偏滤器)以确保从等离子中流入的粒子和热能够达到目标板。特别磁场构造(偏滤器)的具体课题,如备受关注的粒子向等离子的再循环控制、核合成反应生成的燃烧气体(氦)的排出、有效去除不纯物的合作研究,正在进行中。从可视领域到软X线,等离子放射出的电磁波极多,这一领域的分光研究依然是个重要课题,日中两国在这方面的基础课程与实验、以及核合成等离子实验装置中的分光研究也正在加速发展。与磁气封闭等离子的核合成方式不同,备受关注的极短脉冲激光的极超高密度等离子生成过程理论、模拟及利用大型激光设备实验的共同研究也有很大进展。

核合成炉工学的研究领域中,日中两国目前正在着力进行的共同研究众多,包括:制作可替代钒、铁氧体钢、硅碳化物的可期降低或快速减少核合成炉壁的放射化效果的候补材料,对这些候补材料的特性进行解析及开发更高性能的材料、研发上述候补材料在高温超传导材料线圈导线方面的应用、分析核合成炉用于氚增殖包层的特性和核合成炉的综合系统。

造成核合成进展障碍的原因在于:高温等离子的紊流使得高温、高密度等离子不能保持在其稳定状态下可实现的封闭状态。因此对等离子在高精密层面上的理论式的理解和准确预测就起到极其重要的作用。也就是说,必须构建高精密等离子理论、利用大规模计算机模拟系统,这两点刚才我也谈到过,它们是目前交流项目研究的重要支柱之一。目前正在进行的共同研究的课题为:封闭在圈型磁气容器中高温等离子的磁气流体的稳定性、微观领域的等离子紊流特性、等离子粒子及热输送、封闭措施改进的理论及计算机模拟、等离子的自我组织性、将分流器、周边等离子、炉心等离子综合处理的计算机模拟等。

本基地大学交流事业为了对交流成果加以整理并就今后共同研究的方向性等问题进行讨论,建议开展JSPS-CAS基地大学交流事业研讨会。到目前为止举行过的研讨会主题有“核合成炉材料”、“等离子中的原子分子过程”、“激光核合成与高能源密度物理”、“磁场封闭等离子的封闭改善与固定保持”、“激光目标材料”、“等离子加热与等离子诊断”等。各研讨会举办后,会发行英文的会议记录及论文集。为方便中方人士参与,大部分的会议都是在中国举行。图2(a)与(b)非别是2005年在合肥举办的磁场封闭等离子的封闭改善与定态维持研讨会和2007年在兰州举办的关于等离子中的原子、分子过程的研讨会的与会者合影。今年,关于“等离子中的原子分子过程”与“激光目标”两个主题的研讨会也将分别在西安和大阪举行。

交流成果通过学术论文发表,2008年发表的论文已经达到项目开始第一年的4倍(240篇)。本事业的具体内容可以参见

http://www.nifs.ac.jp/collaboration/Japan-China/index-j.html

图2在合肥(a)及兰州(b)举行的研讨会的与会者合影

 4.未来的展望

 交流事业的主要目的在于促成研究圈的形成,为了维持并扩大研究圈,需要促进两国年轻学者和研究生的参与,在做出研究成果的同时更重要的是使大家建立友谊。为此,交流事业积极推进40岁以下青年学者的派遣与接收工作,通过图2可以发现参加过派遣交流的学者占到了全体交流者的40%、按照总人次计算达到了全体交流者的50%。

此外,通过本交流事业及其他支援事业,核合成科学研究所从属的综合型大学积极接收中国公派留学生,并对其进行等离子核合成领域的教育及研究指导。8年间,共有7人毕业,目前的在读生为2人。在参加本交流事业的其他学校中也有4人毕业,4人在读。毕业生大多活跃在中国等世界各个地区,从事指导性工作。

图2 本交流事业的各年度交流的进展情况。黄色部分显示了日方派遣(蓝色)人员和中方接受人员(红色)中40岁以下交流研究者的人数

 5.总结

本交流事业开始于2001年。事业发起之初,就我个人而言,虽然中国经济的大发展已现端倪,但是中国仍然处于发展中阶段。在等离子核合成领域,中方接受日方指导和信息的情况更多一些。但是在交流正式开始后的8年期间,仅在磁气封闭核合成研究领域,等离子体物理研究所就独自完成了全线圈到超传导线圈EAST托卡马克的制作,顺利开展了运转作业并开始正式研究;成都的西南物理研究院接受了德国转让的设备,自费将其改造成了HL-2A托卡马克,并陆续开展了各种很有意义的物理实验。本交流事业将在明年也就是其开展后的第10个年头结束,我们会将研究成果做一总结。可以说今后的共同研究会进入到实质性的阶段。确定无疑的是,日中间等离子核合成领域交流的重要性会进一步增强,现在相关人士已经在围绕2011年之后的新交流事业进行各种讨论。

 

 

东井 和夫

自然科学研究机构核融合科学研究所教授。1947年8月出生。1972年名古屋大学大学院工学研究科电子工学专业。工学博士。

主要研究:圆环型磁场封闭装置的高温等离子的封闭研究,特别推进研究的课题是:核合成炉中出问题时,对可能产生的的高速阿尔法粒子条件下的等离子的稳定性及输送过程产生的影响。

目前作为名古屋大学工学研究科能源理工学专业的客座教授担任研究生的指导工作。

 

专题网页