可控核聚變裝置俗稱“人造太陽”核心安裝開啟

2020-06-15 16:52:23來源：經濟日報

可控核聚變裝置俗稱“人造太陽”，是照亮人類未來的終極能源夢想。近日，我國傳來好消息：由中核集團牽頭的中法聯合體為“人造太陽”核心設備安裝工作全面開展創造了有利條件——這是中國向核能高端市場邁出的實質性步伐，將為我國深度參與聚變國際合作、自主設計建造未來中國聚變堆奠定堅實基礎。

近日，位于法國的世界上最大的核聚變反應堆——國際熱核聚變實驗堆(ITER)項目迎來了重要里程碑時刻，施工人員開始安裝反應堆托卡馬克的首個主要部件。此前，由中核集團牽頭的中法聯合體按期開展了相關安裝底座——杜瓦底座的接收及吊裝準備工作，為核心設備安裝工作全面開展創造了有利條件。這是中國向核能高端市場邁出的實質性步伐，將為我國深度參與聚變國際合作、自主設計建造未來中國聚變堆奠定堅實基礎。

從“靠太陽”到“造太陽”

可控核聚變裝置俗稱“人造太陽”，是全球核聚變人一代代接力奔跑，致力于照亮人類未來的終極能源夢想。伴隨全球人口增長與經濟發展，能源需求將持續增長。然而，地球化石燃料的儲量有限，尋找未來能源成為當務之急。

萬物生長靠太陽，無論是傳統的化石能源，還是風能、生物能等新型能源，其本質都是太陽能。而太陽的能量，科學家們早已探明究竟：來自其內部的核聚變反應。

那么，我們是否可以模擬太陽產生能量的原理，研發可控核聚變技術，從而制造“太陽”呢?

專家的回答是肯定的：不僅可以，而且是必須。

“可控核聚變是目前人類認識到的，可以最終解決人類社會能源與環境問題、推動人類社會可持續發展的重要途徑之一。”中核集團核工業西南物理研究院院長段旭如表示。

從必要性來說，化石能源不可再生且有污染，風能、水能不穩定，核裂變能原料有限、核廢料有放射性污染，因此，需要尋找資源豐富、清潔高效的新能源——目前，最有可能擔當這一角色的只有可控核聚變能。而且，可控核聚變不排放有害氣體，有利于解決當前的環境污染問題。

從可行性來說，核聚變的原料是氫的同位素(氘和氚)，地球上含量極為豐富。“氘在海水中儲量極大，1公升海水里提取出的氘，在完全聚變反應后，可釋放相當于燃燒300公升汽油的能量。”段旭如說。

一字之差的困難

從核裂變到核聚變，從不可控到可控——僅一字之差，但技術難度差別太大了。“世界上首顆原子彈爆炸后不到10年，核裂變技術就實現了和平利用，建成了核電站。”中核集團核工業西南物理研究院特聘研究員鐘武律說，因此，許多人曾樂觀地認為，用不了多久就能實現核聚變的和平利用——然而，經過全世界科學家超過半個世紀的努力，至今仍未成功。

鐘武律做了一個簡單比較。太陽能穩定核聚變，是因其內部不僅有1500萬攝氏度以上的高溫，且約有3000億個大氣壓的超高氣壓。而地球上無法達到如此高的氣壓，只能在高溫上下功夫了，需要把溫度提高到上億攝氏度才行。“先不說如何產生這么高的溫度，就算產生了，也找不到容器‘盛放’它。”鐘武律說，地球上最耐高溫的金屬材料鎢在3000多攝氏度就會熔化。

不過，人類不會被困難嚇倒。20世紀50年代開始，科學家們就經歷了一系列磁約束技術路線的探索，到上世紀60年代，前蘇聯科學家提出托卡馬克方案，效果驚人，備受關注。托卡馬克，簡單來說是一種利用磁約束來實現受控核聚變的環形容器。它的中央是一個環形真空，外面圍繞著線圈。通電時，其內部會產生巨大螺旋形磁場，將其中的等離子體加熱到很高溫度，以達到核聚變目的。

“核聚變能是清潔安全的，但仍需科學普及。”段旭如表示，就聚變堆而言，燃燒等離子體被約束在真空室內，且所含聚變堆中的氘氚燃料含量低，不會爆炸，也不會導致泄漏，幾乎沒有放射性污染。

勇擔重任的中國核電人

我國可控聚變研究始自上世紀50年代，幾乎與國際上聚變研究同步。

1965年，根據建設需要，我國建立了當時國內最大的聚變研究基地——西南物理研究所，也就是中核集團核工業西南物理研究院的前身。

正是在這里，中國核聚變領域第一座大科學裝置——中國環流器一號(HL-1)托卡馬克裝置于1984年建成，成為我國核聚變研究史上的一個重要里程碑。它的成功建造與運行為我國自主設計、建造、運行核聚變實驗研究裝置積累了豐富經驗，培養了我國第一批核聚變工程技術及實驗運行人才隊伍，為我國發展更高參數的磁約束聚變大科學裝置奠定了堅實基礎。

從此，中國磁約束聚變一步步從無到有，從小到大。1995年，中國第一個超導托卡馬克裝置HT-7在合肥建成;2002年中國建成第一個具有偏濾器位形的托卡馬克裝置中國環流器二號A(HL-2A);2006年，世界上第一個全超導托卡馬克裝置東方超環(EAST)首次等離子體放電成功……

預計今年在四川成都投入運行的“中國環流器二號M”裝置，將成為我國規模最大、參數最高的磁約束可控核聚變實驗研究裝置。它可將我國現有裝置的最高等離子體電流從1兆安培提高到3兆安培，離子溫度也將達到1億攝氏度以上。

人類的共同目標

正如太陽造福于整個地球，“人造太陽”的研制，將為人類帶來巨大福祉。但其技術挑戰大，研發困難重重，因此需集全球之力共同來攻克。

基于此，國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃2006年應運而生，由中國、美國、歐盟、俄羅斯、日本、韓國和印度7方參與，計劃在法國普羅旺斯地區共同建造一個電站規模的聚變反應堆，也即世界上最大的托卡馬克裝置。ITER是目前全球規模最大、影響最深遠的國際科技合作項目之一，凝聚了國際聚變界多年來的研究成果以及國際聚變界的技術力量。

“該項目也是中國以平等身份參加的最大國際科技合作項目。其中，中國承擔了約9%的采購包研發任務。”段旭如表示：“簽署這個計劃，正是希望集中全球科技力量，共同攻克難題。”

“這些年來，我國磁約束聚變研究進展得益于參加ITER計劃。”段旭如說，利用這一良好國際合作平臺，在國家有關部委的大力支持下，我國核聚變研究實現了高質量發展，磁約束核聚變研究從過去的跟跑步入了并跑階段，部分技術達到了國際領先水平。

中國的積極參與也推動了ITER計劃的快速發展。鐘武律表示，參加ITER計劃以來，中國積極參與建設，承擔著諸多核心部件研發制造(采購包)任務。“目前，中國承擔的ITER采購包，不管是在研發進度還是在完成質量方面，均處于7方的前列，為ITER建設貢獻了中國力量與智慧。在國際聚變舞臺上，中國有了更大的話語權。”

除了承擔中方承諾的任務外，中方還積極爭取ITER其他關鍵任務。去年9月，中核集團牽頭拿下了ITER迄今金額最大的主機總裝1號合同。這個工程安裝的是ITER裝置最重要的核心設備，其重要性相當于核電站的反應堆、人體里的心臟。這是有史以來中國企業在歐洲市場中標的最大核能工程項目合同。

“通過國際競標拿到了ITER項目最核心部分的安裝工程，證明我們的團隊在世界上是領先的。”中核集團董事長余劍鋒表示。

“從ITER計劃的進展以及國際核聚變發展進程看，我們有信心到本世紀中葉實現可控的核聚變發電。”段旭如充滿信心。

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