人造太陽(yáng)，點(diǎn)亮人類(lèi)能源夢(mèng)想（開(kāi)卷知新）
圖①為科研人員在全超導托卡馬克核聚變實(shí)驗裝置真空室工作。
圖②為新一代“人造太陽(yáng)”中國環(huán)流器二號M裝置。
圖片來(lái)源：影像中國
萬(wàn)物生長(cháng)靠太陽(yáng)?？茖W(xué)家們長(cháng)期致力于利用太陽(yáng)發(fā)光發(fā)熱的原理，為人類(lèi)開(kāi)發(fā)一種源源不斷的清潔能源。因此，在地球上以探索清潔能源為目標的受控核聚變研究裝置又被稱(chēng)為“人造太陽(yáng)”。聚變燃料氘可以從海水中提取，一升海水中的氘發(fā)生聚變反應釋放的能量相當于燃燒300升汽油。有人甚至說(shuō)，聚變能一旦實(shí)現，人類(lèi)的文明發(fā)展將不再受制于能源。我們可以在寒冷的冬天種植熱帶水果，全天候不間斷地為糧食作物提供光源，星際旅行也將不再是夢(mèng)想。
2020年中央經(jīng)濟工作會(huì )議提出：“我國二氧化碳排放力爭2030年前達到峰值，力爭2060年前實(shí)現碳中和。”能源安全、環(huán)境問(wèn)題和氣候變化等問(wèn)題日益突出，成為21世紀人類(lèi)社會(huì )面臨的最嚴峻挑戰之一。核聚變能以其資源豐富、環(huán)境友好和固有安全性等優(yōu)勢將成為人類(lèi)未來(lái)的理想能源，是目前認識到的解決人類(lèi)社會(huì )能源與環(huán)境問(wèn)題的終極途徑之一，是實(shí)現碳中和目標的有效技術(shù)方案之一。我國核能發(fā)展“熱堆—快堆—聚變堆”三步走戰略中，將聚變能作為解決能源問(wèn)題的終極目標。
“人造太陽(yáng)”從“核”而來(lái)
眾所周知，原子能的利用包括核裂變和核聚變。核裂變是將較重的原子核分裂為較輕的原子核并釋放出能量。而核聚變則是將較輕的原子核聚合反應而生成較重的原子核，并釋放出巨大能量。太陽(yáng)等恒星之所以發(fā)光發(fā)熱，正是因為其內部持續不斷地進(jìn)行著(zhù)輕核間的核聚變反應。人類(lèi)在上世紀50年代初成功試爆了第一顆氫彈，但氫彈爆炸是不可控的核聚變反應，不能作為提供能源的手段。自那以后，人類(lèi)便致力于受控核聚變研究。
受控核聚變實(shí)現的方式主要有兩種——磁約束核聚變和慣性約束核聚變。其中磁約束核聚變是用強磁場(chǎng)來(lái)約束高溫核聚變燃料。實(shí)現受控核聚變的條件十分苛刻，一是燃料需達到極高的溫度(1億攝氏度以上)，但極端高溫下的燃料無(wú)法用普通固體容器來(lái)盛裝，為此，科學(xué)家們提出用強磁場(chǎng)的方式來(lái)約束處于極高溫下的聚變燃料;二是具有足夠的密度，從而提高燃料原子核之間碰撞而發(fā)生核聚變反應的概率;三是具備足夠長(cháng)的能量約束時(shí)間，將高溫高密度的核反應條件維持足夠長(cháng)的時(shí)間，才能使核聚變反應得以持續進(jìn)行。也就是說(shuō)，燃料離子溫度、密度、能量約束時(shí)間，這三個(gè)參數的乘積(“聚變三乘積”)必須達到一定值，才能滿(mǎn)足聚變“點(diǎn)火”條件，實(shí)現受控核聚變。因此，核聚變原理雖然簡(jiǎn)單，但聚變能開(kāi)發(fā)卻面臨一系列科學(xué)技術(shù)挑戰。
國際磁約束受控核聚變研究始于上世紀50年代，經(jīng)歷了從最初的少數幾個(gè)核大國進(jìn)行秘密研究、技術(shù)解密，再到世界范圍內開(kāi)放合作、共同參與的研究階段。在研究進(jìn)程中，也先后探索了箍縮、磁鏡、仿星器、托卡馬克等眾多途徑，目標都圍繞如何提高等離子體的關(guān)鍵參數，最終滿(mǎn)足受控核聚變反應的條件。從上世紀70年代開(kāi)始，托卡馬克途徑逐漸顯示出獨特優(yōu)勢，成為磁約束核聚變研究的主流途徑。國際磁約束聚變界通過(guò)幾十年努力，在核聚變研究領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展，裝置的“聚變三乘積”提升了幾個(gè)數量級，但要實(shí)現受控核聚變，關(guān)鍵技術(shù)上仍存在很大挑戰，需凝聚全世界之力共同攻克。1985年，國際熱核聚變實(shí)驗堆(ITER)計劃提出，其目的就是希望通過(guò)國際合作，建造一座核聚變反應堆，以驗證核聚變能和平利用的科學(xué)可行性和工程技術(shù)可行性。
2006年11月，中國、歐盟等七方簽署啟動(dòng)國際熱核聚變實(shí)驗堆計劃協(xié)定。目前，該計劃是全球規模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一，將集成當今國際上受控磁約束核聚變的主要科學(xué)技術(shù)成果，解決大量技術(shù)難題。首次建造可實(shí)現大規模聚變反應的聚變實(shí)驗堆，是實(shí)現“人造太陽(yáng)”能源夢(mèng)想的關(guān)鍵一步，因此備受各國政府與科技界重視和支持。
我國核聚變技術(shù)取得一系列突破
我國的受控核聚變研究幾乎與國際同步。1956年，正值我國制定“十二年科技規劃”之際，錢(qián)三強、李正武等科學(xué)家倡議在我國開(kāi)展“可控熱核反應”研究，以探索核聚變能的和平利用。1965年，我國成立聚變能開(kāi)發(fā)專(zhuān)業(yè)研究基地，并于1984年建成我國核聚變領(lǐng)域第一座大科學(xué)裝置——中國環(huán)流器一號托卡馬克裝置。它是我國核聚變研究史上的一個(gè)重要里程碑，其成功建造與運行，為我國自主設計、建造、運行核聚變實(shí)驗研究裝置積累了豐富經(jīng)驗，培養了人才隊伍。
自2008年我國科學(xué)技術(shù)部成立國際熱核聚變實(shí)驗堆核聚變中心以來(lái)，我國陸續承擔了18個(gè)采購包的制造任務(wù)，共有上百家科研院所、企業(yè)直接參與。在核聚變中心的領(lǐng)導和組織協(xié)調下，核工業(yè)西南物理研究院及中科院等離子體物理研究所等單位，充分發(fā)揮在聚變實(shí)驗研究裝置和聚變堆關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)方面的優(yōu)勢，聯(lián)合國內相關(guān)院校及企業(yè)展開(kāi)了技術(shù)攻關(guān)。
我國承擔的國際熱核聚變實(shí)驗堆采購包任務(wù)進(jìn)展順利，取得了一系列技術(shù)突破。比如，我國研發(fā)的第一壁采購包半原型部件在2016年成功通過(guò)高熱負荷測試，在世界上率先通過(guò)認證，同時(shí)也帶動(dòng)了我國其他相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展。2019年9月，中核集團牽頭的中法聯(lián)合體與國際熱核聚變實(shí)驗堆組織簽訂了ITER主機安裝一號合同，這是有史以來(lái)中國企業(yè)在歐洲市場(chǎng)中競標的最大核能工程項目合同。該合同的簽訂標志著(zhù)我國核聚變技術(shù)與人才積累、核電建設能力獲得國際認可。
參與國際熱核聚變實(shí)驗堆計劃10多年來(lái)，我國在聚變領(lǐng)域的科研實(shí)力大幅提升，在聚變等離子體物理、聚變堆材料、加熱與控制技術(shù)等領(lǐng)域的研發(fā)能力和技術(shù)水平取得長(cháng)足進(jìn)步，中國核聚變技術(shù)由跟跑轉向并跑，部分技術(shù)實(shí)現領(lǐng)跑。
此外，中國在托卡馬克實(shí)驗和物理研究方面也取得了一系列創(chuàng )新性成果，多個(gè)裝置為前沿聚變物理研究提供了重要平臺。比如，中國環(huán)流器二號A裝置實(shí)現由低約束模式到高約束模式運行，使我國躋身成功實(shí)現高約束模式運行的少數國家之一;東方超環(huán)裝置率先實(shí)現了百秒量級高約束模式運行。
力爭本世紀中葉實(shí)現聚變能應用
國際熱核聚變實(shí)驗堆計劃是聚變能發(fā)展中的關(guān)鍵一步，也是各國聚變能發(fā)展路線(xiàn)圖中的關(guān)鍵設施。計劃一旦達到目標，人類(lèi)將在本世紀中葉實(shí)現聚變能的應用。
當前，相關(guān)國家正集中力量完成該計劃采購包等任務(wù)并保障資源，確保國際熱核聚變實(shí)驗堆的成功建設與運行。一方面利用現有不同規模的磁約束聚變研究裝置，開(kāi)展聚變等離子體物理與相關(guān)技術(shù)研究，尤其是與ITER計劃相關(guān)的先行物理實(shí)驗及有關(guān)技術(shù)研發(fā)。2020年，我國新一代“人造太陽(yáng)”——中國環(huán)流器二號M裝置在四川成都建成，它是我國目前規模最大、參數最高的先進(jìn)托卡馬克裝置，將為我國深度參與國際熱核聚變實(shí)驗堆計劃及未來(lái)自主設計、建造聚變堆提供重要技術(shù)支撐。
另一方面，積極謀劃并開(kāi)展未來(lái)聚變堆關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)。當前聚變能研發(fā)已逐步進(jìn)入聚變堆核工程可行性階段。在參加國際熱核聚變實(shí)驗堆計劃同時(shí)，我國聚變研究應以未來(lái)建堆所涉及的前沿科學(xué)技術(shù)為攻關(guān)方向，開(kāi)展聚變堆總體設計、聚變堆芯關(guān)鍵技術(shù)等研發(fā)，發(fā)展聚變能開(kāi)發(fā)核心技術(shù)，加強國內與ITER計劃相關(guān)的聚變能技術(shù)研究和創(chuàng )新。培養一支穩定的高水平核聚變能研發(fā)隊伍，培育和帶動(dòng)一批企業(yè)全面參與聚變堆關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與部件設計制造，建設和完善國家聚變能研發(fā)體系，建立國際一流研究平臺。
我們將發(fā)揚協(xié)同創(chuàng )新精神，夯實(shí)自立自強根基，實(shí)現“人造太陽(yáng)”在本世紀中葉閃耀世界的能源夢(mèng)想。
(作者為中核集團核聚變堆技術(shù)首席專(zhuān)家)
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《聚變情懷終不改——李正武傳》：朱宇光等著(zhù);上海交通大學(xué)出版社、中國科學(xué)技術(shù)出版社出版。
《宇宙能源——聚變》：加里·麥克拉肯、彼得·斯托特著(zhù);原子能出版社出版。
制圖：趙偲汝
