圖①為科研人員在全超導托卡馬克核聚變實驗裝置真空室工作。

圖②為新一代“人造太陽”中國環(huán)流器二號M裝置。

圖片來源：影像中國

萬物生長靠太陽?？茖W家們長期致力于利用太陽發(fā)光發(fā)熱的原理，為人類開發(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為“人造太陽”。聚變?nèi)剂想梢詮暮Ｋ刑崛?，一升海水中的氘發(fā)生聚變反應(yīng)釋放的能量相當于燃燒300升汽油。有人甚至說，聚變能一旦實現(xiàn)，人類的文明發(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想。

2020年中央經(jīng)濟工作會議提出：“我國二氧化碳排放力爭2030年前達到峰值，力爭2060年前實現(xiàn)碳中和。”能源安全、環(huán)境問題和氣候變化等問題日益突出，成為21世紀人類社會面臨的最嚴峻挑戰(zhàn)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)勢將成為人類未來的理想能源，是目前認識到的解決人類社會能源與環(huán)境問題的終極途徑之一，是實現(xiàn)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(zhàn)略中，將聚變能作為解決能源問題的終極目標。

“人造太陽”從“核”而來

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(yīng)而生成較重的原子核，并釋放出巨大能量。太陽等恒星之所以發(fā)光發(fā)熱，正是因為其內(nèi)部持續(xù)不斷地進行著輕核間的核聚變反應(yīng)。人類在上世紀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(yīng)，不能作為提供能源的手段。自那以后，人類便致力于受控核聚變研究。

受控核聚變實現(xiàn)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來約束高溫核聚變?nèi)剂?。實現(xiàn)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法用普通固體容器來盛裝，為此，科學家們提出用強磁場的方式來約束處于極高溫下的聚變?nèi)剂?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(yīng)的概率;三是具備足夠長的能量約束時間，將高溫高密度的核反應(yīng)條件維持足夠長的時間，才能使核聚變反應(yīng)得以持續(xù)進行。也就是說，燃料離子溫度、密度、能量約束時間，這三個參數(shù)的乘積(“聚變?nèi)朔e”)必須達到一定值，才能滿足聚變“點火”條件，實現(xiàn)受控核聚變。因此，核聚變原理雖然簡單，但聚變能開發(fā)卻面臨一系列科學技術(shù)挑戰(zhàn)。

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(shù)幾個核大國進行秘密研究、技術(shù)解密，再到世界范圍內(nèi)開放合作、共同參與的研究階段。在研究進程中，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(shù)，最終滿足受控核聚變反應(yīng)的條件。從上世紀70年代開始，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幾十年努力，在核聚變研究領(lǐng)域取得了重大進展，裝置的“聚變?nèi)朔e”提升了幾個數(shù)量級，但要實現(xiàn)受控核聚變，關(guān)鍵技術(shù)上仍存在很大挑戰(zhàn)，需凝聚全世界之力共同攻克。1985年，國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃提出，其目的就是希望通過國際合作，建造一座核聚變反應(yīng)堆，以驗證核聚變能和平利用的科學可行性和工程技術(shù)可行性。

2006年11月，中國、歐盟等七方簽署啟動國際熱核聚變實驗堆計劃協(xié)定。目前，該計劃是全球規(guī)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技術(shù)成果，解決大量技術(shù)難題。首次建造可實現(xiàn)大規(guī)模聚變反應(yīng)的聚變實驗堆，是實現(xiàn)“人造太陽”能源夢想的關(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(guī)劃”之際，錢三強、李正武等科學家倡議在我國開展“可控熱核反應(yīng)”研究，以探索核聚變能的和平利用。1965年，我國成立聚變能開發(fā)專業(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重要里程碑，其成功建造與運行，為我國自主設(shè)計、建造、運行核聚變實驗研究裝置積累了豐富經(jīng)驗，培養(yǎng)了人才隊伍。

自2008年我國科學技術(shù)部成立國際熱核聚變實驗堆核聚變中心以來，我國陸續(xù)承擔了18個采購包的制造任務(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(diào)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(nèi)相關(guān)院校及企業(yè)展開了技術(shù)攻關(guān)。

我國承擔的國際熱核聚變實驗堆采購包任務(wù)進展順利，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年成功通過高熱負荷測試，在世界上率先通過認證，同時也帶動了我國其他相關(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驗堆組織簽訂了ITER主機安裝一號合同，這是有史以來中國企業(yè)在歐洲市場中競標的最大核能工程項目合同。該合同的簽訂標志著我國核聚變技術(shù)與人才積累、核電建設(shè)能力獲得國際認可。

參與國際熱核聚變實驗堆計劃10多年來，我國在聚變領(lǐng)域的科研實力大幅提升，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)水平取得長足進步，中國核聚變技術(shù)由跟跑轉(zhuǎn)向并跑，部分技術(shù)實現(xiàn)領(lǐng)跑。

此外，中國在托卡馬克實驗和物理研究方面也取得了一系列創(chuàng)新性成果，多個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裝置實現(xiàn)由低約束模式到高約束模式運行，使我國躋身成功實現(xiàn)高約束模式運行的少數(shù)國家之一;東方超環(huán)裝置率先實現(xiàn)了百秒量級高約束模式運行。

力爭本世紀中葉實現(xiàn)聚變能應(yīng)用

國際熱核聚變實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)展路線圖中的關(guān)鍵設(shè)施。計劃一旦達到目標，人類將在本世紀中葉實現(xiàn)聚變能的應(yīng)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驗堆的成功建設(shè)與運行。一方面利用現(xiàn)有不同規(guī)模的磁約束聚變研究裝置，開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)的先行物理實驗及有關(guān)技術(shù)研發(fā)。2020年，我國新一代“人造太陽”——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(guī)模最大、參數(shù)最高的先進托卡馬克裝置，將為我國深度參與國際熱核聚變實驗堆計劃及未來自主設(shè)計、建造聚變堆提供重要技術(shù)支撐。

另一方面，積極謀劃并開展未來聚變堆關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)。當前聚變能研發(fā)已逐步進入聚變堆核工程可行性階段。在參加國際熱核聚變實驗堆計劃同時，我國聚變研究應(yīng)以未來建堆所涉及的前沿科學技術(shù)為攻關(guān)方向，開展聚變堆總體設(shè)計、聚變堆芯關(guān)鍵技術(shù)等研發(fā)，發(fā)展聚變能開發(fā)核心技術(shù)，加強國內(nèi)與ITER計劃相關(guān)的聚變能技術(shù)研究和創(chuàng)新。培養(yǎng)一支穩(wěn)定的高水平核聚變能研發(fā)隊伍，培育和帶動一批企業(yè)全面參與聚變堆關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與部件設(shè)計制造，建設(shè)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，夯實自立自強根基，實現(xiàn)“人造太陽”在本世紀中葉閃耀世界的能源夢想。

(作者為中核集團核聚變堆技術(shù)首席專家)

推薦讀物：

《逐日之路：人造太陽點亮能源夢想》：馬明義著;科學出版社出版。

《聚變情懷終不改——李正武傳》：朱宇光等著;上海交通大學出版社、中國科學技術(shù)出版社出版。

《宇宙能源——聚變》：加里·麥克拉肯、彼得·斯托特著;原子能出版社出版。

制圖：趙偲汝