將于2035-2040年建造中國(guó)聚變工程試驗(yàn)堆，并啟動(dòng)聚變示范堆設(shè)計(jì)

核聚變能具有資源豐富、固有安全性高、環(huán)境可接受性好等特點(diǎn)，是人類(lèi)最理想的能源形式。上世紀(jì)80年代，我國(guó)制定了“熱堆-快堆-聚變堆”“三步走”的核能發(fā)展戰(zhàn)略，隨后通過(guò)參加國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)，進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)聚變能源研究進(jìn)入國(guó)際陣營(yíng)。中國(guó)核學(xué)會(huì)核聚變和等離子體分會(huì)理事長(zhǎng)、核工業(yè)西南物理研究院(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“西物院”)院長(zhǎng)劉永日前在“中國(guó)核學(xué)會(huì)2017年學(xué)術(shù)年會(huì)”上透露，我國(guó)在聚變工程和科學(xué)方面的研究，已經(jīng)由過(guò)去的跟跑、并跑發(fā)展到現(xiàn)在某些領(lǐng)域的領(lǐng)跑。而且，我國(guó)承擔(dān)的ITER計(jì)劃采購(gòu)包任務(wù)進(jìn)展顯著。

站上核聚變研究先進(jìn)平臺(tái)

2006年11月21日，中國(guó)、歐盟、印度、日本、韓國(guó)、俄羅斯和美國(guó)七方簽署了ITER計(jì)劃的聯(lián)合實(shí)施協(xié)定及相關(guān)文件，擬共同建造一個(gè)超導(dǎo)托卡馬克型聚變實(shí)驗(yàn)堆，探索和平利用聚變能發(fā)電的科學(xué)和工程技術(shù)可行性。據(jù)了解，ITER將成為世界第一個(gè)電站級(jí)別的聚變實(shí)驗(yàn)堆，是最終實(shí)現(xiàn)磁約束聚變能商業(yè)化必不可少的一步，這也是中國(guó)首次以平等伙伴身份參與的最大國(guó)際合作項(xiàng)目。

據(jù)了解，目前國(guó)內(nèi)從事磁約束受控核聚變研究的單位包括西物院、中科院等離子體物理研究所、中國(guó)工程物理研究院等科研院所及一些高校。其中，西物院和中科院等離子體物理研究所是中方參與ITER計(jì)劃的主要承擔(dān)單位;貴州航天新力、西部超導(dǎo)、寧夏東方、合肥科燁等企業(yè)參與了ITER計(jì)劃相關(guān)部件、材料、工藝的研發(fā)和加工。

“核聚變研究是人類(lèi)歷史上最具挑戰(zhàn)性的課題之一，其基本原理就是將原子核聚變反應(yīng)釋放能量的過(guò)程慢化，并和平利用該能量。”劉永說(shuō)，“這項(xiàng)工程面臨極大的技術(shù)挑戰(zhàn)，我們研究了50年之久，主要因?yàn)樗膶?shí)現(xiàn)條件很苛刻，需要1億度以上的高溫、長(zhǎng)時(shí)間約束在有限的空間中，并需要足夠高的密度。幾十年來(lái)，我們主要就是解決如何將上億度的高溫等離子體長(zhǎng)時(shí)間約束起來(lái)，讓其能充分反應(yīng)，解決聚變自持燃燒的問(wèn)題。”

盡管過(guò)程艱難，我國(guó)在聚變裝置研發(fā)及實(shí)驗(yàn)方面仍取得了顯著進(jìn)展。

目前，具有一定國(guó)際影響力的磁約束受控核聚變主要研究設(shè)施(現(xiàn)役/在建)有EAST、HL-2A、HL-2M等。其中，在“中國(guó)環(huán)流器二號(hào)A”(HL-2A)裝置上首次成功實(shí)現(xiàn)偏濾器位形托卡馬克運(yùn)行和高約束模(H -模)放電。這一重大科研成果，使我國(guó)在繼歐盟、美國(guó)和日本之后，站上了核聚變研究的先進(jìn)平臺(tái)。作為中國(guó)磁約束聚變實(shí)驗(yàn)研究史上具有里程碑意義的重大進(jìn)展，這個(gè)成果同時(shí)標(biāo)志著中國(guó)的磁約束聚變科學(xué)和等離子體物理實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)入了一個(gè)接近國(guó)際前沿的嶄新階段。在2016年的實(shí)驗(yàn)中，HL-2A首次利用無(wú)源間隔波導(dǎo)陣列(PAM)天線(xiàn)在H模條件下實(shí)現(xiàn)了低雜波耦合，為ITER低雜波電流驅(qū)動(dòng)天線(xiàn)設(shè)計(jì)提供了重要數(shù)據(jù)。

此外，今年7月3日，“東方超環(huán)”EAST實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的 101.2 秒穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)脈沖高約束等離子體運(yùn)行，成為世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式運(yùn)行持續(xù)時(shí)間達(dá)到百秒量級(jí)的托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。EAST在近兩年不斷提升裝置能力，在發(fā)現(xiàn)先進(jìn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模式中起到重要作用。目前，EAST實(shí)驗(yàn)取得新進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了全非感應(yīng)穩(wěn)態(tài)H模運(yùn)行的新紀(jì)錄(約50秒)、全非感應(yīng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行芯部約束提高、高電子溫度的長(zhǎng)脈沖運(yùn)行大于100秒。

出色完成ITER采購(gòu)包任務(wù)

“中國(guó)能夠參加ITER，是因?yàn)檫^(guò)去50年我們打下了很好的基礎(chǔ)，這幾年的進(jìn)展更是突飛猛進(jìn)。”劉永說(shuō)。

據(jù)了解，在科技部ITER中心的領(lǐng)導(dǎo)和組織協(xié)調(diào)下，西物院及中科院等離子體物理研究所充分發(fā)揮在聚變裝置乃至聚變堆及其部件研制方面的研究?jī)?yōu)勢(shì)，憑借ITER組織的充分認(rèn)同和良好溝通，聯(lián)合國(guó)內(nèi)相關(guān)優(yōu)勢(shì)企業(yè)展開(kāi)了技術(shù)攻關(guān)，我國(guó)承擔(dān)的ITER采購(gòu)包任務(wù)進(jìn)展順利，取得了一系列技術(shù)突破，成果豐碩。

比如，國(guó)內(nèi)能不能提供ITER所用的超導(dǎo)材料?

答案是肯定的。“通過(guò)這個(gè)項(xiàng)目，我們?cè)诔瑢?dǎo)材料方面完全走到了國(guó)際前列。此外，校正場(chǎng)線(xiàn)圈等材料也是由中國(guó)全部承擔(dān)。”劉永說(shuō)。

再如，在眾多采購(gòu)包中，西物院承擔(dān)的“第一壁”通過(guò)了多輪模塊制作及高熱負(fù)荷試驗(yàn)考驗(yàn)，激光焊接工藝等關(guān)鍵工藝通過(guò)了IO(ITER國(guó)際組織)認(rèn)證;ITER中子屏蔽模塊采購(gòu)包(SB)目前已進(jìn)入國(guó)內(nèi)供應(yīng)商加工制造階段，西物院負(fù)責(zé)包層屏蔽模塊技術(shù);西物院還承擔(dān)全部ITER磁體支撐任務(wù)，基于ITER GS支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和分析而提出的新設(shè)計(jì)方案，得到了ITER認(rèn)可。

“ITER計(jì)劃的實(shí)施帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)科和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其科學(xué)與工程目標(biāo)是完全有望達(dá)到的。”劉永評(píng)價(jià)。

按照ITER計(jì)劃進(jìn)度安排，2025年要產(chǎn)生初始等離子體，2035年實(shí)現(xiàn)氘氚放電。“目前，我們努力的方向是，使聚變堆的過(guò)程能夠再快一點(diǎn)。”劉永說(shuō)，中國(guó)的聚變能發(fā)展路線(xiàn)圖已初見(jiàn)端倪，我國(guó)將為爭(zhēng)取早日建成聚變堆、率先實(shí)現(xiàn)核聚變能不懈努力。2035-2040年，我國(guó)將建造中國(guó)聚變工程試驗(yàn)堆CFETR，并啟動(dòng)聚變示范堆DAMO的設(shè)計(jì)，為本世紀(jì)中葉在我國(guó)獨(dú)立自主大規(guī)模建設(shè)聚變電站奠定堅(jiān)實(shí)的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)。

劉永表示，聚變堆目前仍面臨關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。“聚變堆將在高品質(zhì)和高參數(shù)(高的等離子體溫度、密度)條件下運(yùn)行，產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定的氘氚聚變反應(yīng)和聚變能量輸出，這一直是聚變研究的核心內(nèi)容之一。在采用怎樣的運(yùn)行模式和運(yùn)行參數(shù)、如何維持穩(wěn)定的燃燒等離子體、實(shí)現(xiàn)與外圍的工程部件相互兼容、確保裝置安全等方面，一些關(guān)鍵物理和技術(shù)挑戰(zhàn)仍有待進(jìn)一步研究。”