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人造太阳,点亮人类能源梦想

来源:人民日报2021-09-15 09:45

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  万物生长靠太阳。科学家们长期致力于利用太阳发光发热的原理,为人类开发一种源源不断的清洁能源。因此,在地球上以探索清洁能源为目标的受控核聚变研究装置又被称为“人造太阳”。聚变燃料氘可以从海水中提取,一升海水中的氘发生聚变反应释放的能量相当于燃烧300升汽油。有人甚至说,聚变能一旦实现,人类的文明发展将不再受制于能源。我们可以在寒冷的冬天种植热带水果,全天候不间断地为粮食作物提供光源,星际旅行也将不再是梦想。

  2020年中央经济工作会议提出:“我国二氧化碳排放力争2030年前达到峰值,力争2060年前实现碳中和。”能源安全、环境问题和气候变化等问题日益突出,成为21世纪人类社会面临的最严峻挑战之一。核聚变能以其资源丰富、环境友好和固有安全性等优势将成为人类未来的理想能源,是目前认识到的解决人类社会能源与环境问题的终极途径之一,是实现碳中和目标的有效技术方案之一。我国核能发展“热堆—快堆—聚变堆”三步走战略中,将聚变能作为解决能源问题的终极目标。

  “人造太阳”从“核”而来

  众所周知,原子能的利用包括核裂变和核聚变。核裂变是将较重的原子核分裂为较轻的原子核并释放出能量。而核聚变则是将较轻的原子核聚合反应而生成较重的原子核,并释放出巨大能量。太阳等恒星之所以发光发热,正是因为其内部持续不断地进行着轻核间的核聚变反应。人类在上世纪50年代初成功试爆了第一颗氢弹,但氢弹爆炸是不可控的核聚变反应,不能作为提供能源的手段。自那以后,人类便致力于受控核聚变研究。

  受控核聚变实现的方式主要有两种——磁约束核聚变和惯性约束核聚变。其中磁约束核聚变是用强磁场来约束高温核聚变燃料。实现受控核聚变的条件十分苛刻,一是燃料需达到极高的温度(1亿摄氏度以上),但极端高温下的燃料无法用普通固体容器来盛装,为此,科学家们提出用强磁场的方式来约束处于极高温下的聚变燃料;二是具有足够的密度,从而提高燃料原子核之间碰撞而发生核聚变反应的概率;三是具备足够长的能量约束时间,将高温高密度的核反应条件维持足够长的时间,才能使核聚变反应得以持续进行。也就是说,燃料离子温度、密度、能量约束时间,这三个参数的乘积(“聚变三乘积”)必须达到一定值,才能满足聚变“点火”条件,实现受控核聚变。因此,核聚变原理虽然简单,但聚变能开发却面临一系列科学技术挑战。

  国际磁约束受控核聚变研究始于上世纪50年代,经历了从最初的少数几个核大国进行秘密研究、技术解密,再到世界范围内开放合作、共同参与的研究阶段。在研究进程中,也先后探索了箍缩、磁镜、仿星器、托卡马克等众多途径,目标都围绕如何提高等离子体的关键参数,最终满足受控核聚变反应的条件。从上世纪70年代开始,托卡马克途径逐渐显示出独特优势,成为磁约束核聚变研究的主流途径。国际磁约束聚变界通过几十年努力,在核聚变研究领域取得了重大进展,装置的“聚变三乘积”提升了几个数量级,但要实现受控核聚变,关键技术上仍存在很大挑战,需凝聚全世界之力共同攻克。1985年,国际热核聚变实验堆(ITER)计划提出,其目的就是希望通过国际合作,建造一座核聚变反应堆,以验证核聚变能和平利用的科学可行性和工程技术可行性。

  2006年11月,中国、欧盟等七方签署启动国际热核聚变实验堆计划协定。目前,该计划是全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一,将集成当今国际上受控磁约束核聚变的主要科学技术成果,解决大量技术难题。首次建造可实现大规模聚变反应的聚变实验堆,是实现“人造太阳”能源梦想的关键一步,因此备受各国政府与科技界重视和支持。

  我国核聚变技术取得一系列突破

  我国的受控核聚变研究几乎与国际同步。1956年,正值我国制定“十二年科技规划”之际,钱三强、李正武等科学家倡议在我国开展“可控热核反应”研究,以探索核聚变能的和平利用。1965年,我国成立聚变能开发专业研究基地,并于1984年建成我国核聚变领域第一座大科学装置——中国环流器一号托卡马克装置。它是我国核聚变研究史上的一个重要里程碑,其成功建造与运行,为我国自主设计、建造、运行核聚变实验研究装置积累了丰富经验,培养了人才队伍。

  自2008年我国科学技术部成立国际热核聚变实验堆核聚变中心以来,我国陆续承担了18个采购包的制造任务,共有上百家科研院所、企业直接参与。在核聚变中心的领导和组织协调下,核工业西南物理研究院及中科院等离子体物理研究所等单位,充分发挥在聚变实验研究装置和聚变堆关键技术研发方面的优势,联合国内相关院校及企业展开了技术攻关。

  我国承担的国际热核聚变实验堆采购包任务进展顺利,取得了一系列技术突破。比如,我国研发的第一壁采购包半原型部件在2016年成功通过高热负荷测试,在世界上率先通过认证,同时也带动了我国其他相关领域技术发展。2019年9月,中核集团牵头的中法联合体与国际热核聚变实验堆组织签订了ITER主机安装一号合同,这是有史以来中国企业在欧洲市场中竞标的最大核能工程项目合同。该合同的签订标志着我国核聚变技术与人才积累、核电建设能力获得国际认可。

  参与国际热核聚变实验堆计划10多年来,我国在聚变领域的科研实力大幅提升,在聚变等离子体物理、聚变堆材料、加热与控制技术等领域的研发能力和技术水平取得长足进步,中国核聚变技术由跟跑转向并跑,部分技术实现领跑。

  此外,中国在托卡马克实验和物理研究方面也取得了一系列创新性成果,多个装置为前沿聚变物理研究提供了重要平台。比如,中国环流器二号A装置实现由低约束模式到高约束模式运行,使我国跻身成功实现高约束模式运行的少数国家之一;东方超环装置率先实现了百秒量级高约束模式运行。

  力争本世纪中叶实现聚变能应用

  国际热核聚变实验堆计划是聚变能发展中的关键一步,也是各国聚变能发展路线图中的关键设施。计划一旦达到目标,人类将在本世纪中叶实现聚变能的应用。

  当前,相关国家正集中力量完成该计划采购包等任务并保障资源,确保国际热核聚变实验堆的成功建设与运行。一方面利用现有不同规模的磁约束聚变研究装置,开展聚变等离子体物理与相关技术研究,尤其是与ITER计划相关的先行物理实验及有关技术研发。2020年,我国新一代“人造太阳”——中国环流器二号M装置在四川成都建成,它是我国目前规模最大、参数最高的先进托卡马克装置,将为我国深度参与国际热核聚变实验堆计划及未来自主设计、建造聚变堆提供重要技术支撑。

  另一方面,积极谋划并开展未来聚变堆关键技术的研发。当前聚变能研发已逐步进入聚变堆核工程可行性阶段。在参加国际热核聚变实验堆计划同时,我国聚变研究应以未来建堆所涉及的前沿科学技术为攻关方向,开展聚变堆总体设计、聚变堆芯关键技术等研发,发展聚变能开发核心技术,加强国内与ITER计划相关的聚变能技术研究和创新。培养一支稳定的高水平核聚变能研发队伍,培育和带动一批企业全面参与聚变堆关键技术攻关与部件设计制造,建设和完善国家聚变能研发体系,建立国际一流研究平台。

  我们将发扬协同创新精神,夯实自立自强根基,实现“人造太阳”在本世纪中叶闪耀世界的能源梦想。

  (段旭如 作者为中核集团核聚变堆技术首席专家)

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