將于2035-2040年建造中國聚變工程試驗(yàn)堆，并啟動聚變示范堆設(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)，是人類最理想的能源形式。上世紀(jì)80年代，我國制定了“熱堆-快堆-聚變堆”“三步走”的核能發(fā)展戰(zhàn)略，隨后通過參加國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER），進(jìn)一步推動我國聚變能源研究進(jìn)入國際陣營。中國核學(xué)會核聚變和等離子體分會理事長、核工業(yè)西南物理研究院（以下簡稱“西物院”）院長劉永日前在“中國核學(xué)會2017年學(xué)術(shù)年會”上透露，我國在聚變工程和科學(xué)方面的研究，已經(jīng)由過去的跟跑、并跑發(fā)展到現(xiàn)在某些領(lǐng)域的領(lǐng)跑。而且，我國承擔(dān)的ITER計(jì)劃采購包任務(wù)進(jìn)展顯著。
站上核聚變研究先進(jìn)平臺
2006年11月21日，中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國七方簽署了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，這也是中國首次以平等伙伴身份參與的最大國際合作項(xiàng)目。
據(jù)了解，目前國內(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)釋放能量的過程慢化，并和平利用該能量?！眲⒂勒f，“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，我們主要就是解決如何將上億度的高溫等離子體長時(shí)間約束起來，讓其能充分反應(yīng)，解決聚變自持燃燒的問題?！?br />
盡管過程艱難，我國在聚變裝置研發(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“中國環(huán)流器二號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，使我國在繼歐盟、美國和日本之后，站上了核聚變研究的先進(jìn)平臺。作為中國磁約束聚變實(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)接近國際前沿的嶄新階段。在2016年的實(shí)驗(yàn)中，HL-2A首次利用無源間隔波導(dǎo)陣列（PAM）天線在H模條件下實(shí)現(xiàn)了低雜波耦合，為ITER低雜波電流驅(qū)動天線設(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、高電子溫度的長脈沖運(yùn)行大于100秒。
出色完成ITER采購包任務(wù)
“中國能夠參加ITER，是因?yàn)檫^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)?！眲⒂勒f。
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優(yōu)勢，憑借ITER組織的充分認(rèn)同和良好溝通，聯(lián)合國內(nèi)相關(guān)優(yōu)勢企業(yè)展開了技術(shù)攻關(guān)，我國承擔(dān)的ITER采購包任務(wù)進(jìn)展順利，取得了一系列技術(shù)突破，成果豐碩。
比如，國內(nèi)能不能提供ITER所用的超導(dǎo)材料？
答案是肯定的?！巴ㄟ^這個(gè)項(xiàng)目，我們在超導(dǎo)材料方面完全走到了國際前列。此外，校正場線圈等材料也是由中國全部承擔(dān)?！眲⒂勒f。
再如，在眾多采購包中，西物院承擔(dān)的“第一壁”通過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)鍵工藝通過了IO（ITER國際組織）認(rèn)證；ITER中子屏蔽模塊采購包（SB）目前已進(jìn)入國內(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)施帶動了國內(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?！眲⒂涝u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，使聚變堆的過程能夠再快一點(diǎn)。”劉永說，中國的聚變能發(fā)展路線圖已初見端倪，我國將為爭取早日建成聚變堆、率先實(shí)現(xiàn)核聚變能不懈努力。2035-2040年，我國將建造中國聚變工程試驗(yàn)堆CFETR，并啟動聚變示范堆DAMO的設(shè)計(jì)，為本世紀(jì)中葉在我國獨(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)?！熬圩兌褜⒃诟咂焚|(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。”
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)，是人類最理想的能源形式。上世紀(jì)80年代，我國制定了“熱堆-快堆-聚變堆”“三步走”的核能發(fā)展戰(zhàn)略，隨后通過參加國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER），進(jìn)一步推動我國聚變能源研究進(jìn)入國際陣營。中國核學(xué)會核聚變和等離子體分會理事長、核工業(yè)西南物理研究院（以下簡稱“西物院”）院長劉永日前在“中國核學(xué)會2017年學(xué)術(shù)年會”上透露，我國在聚變工程和科學(xué)方面的研究，已經(jīng)由過去的跟跑、并跑發(fā)展到現(xiàn)在某些領(lǐng)域的領(lǐng)跑。而且，我國承擔(dān)的ITER計(jì)劃采購包任務(wù)進(jìn)展顯著。
“綠色核能科普展”上的聚變堆模型 朱學(xué)蕊/攝
站上核聚變研究先進(jìn)平臺
2006年11月21日，中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國七方簽署了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，這也是中國首次以平等伙伴身份參與的最大國際合作項(xiàng)目。
據(jù)了解，目前國內(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)釋放能量的過程慢化，并和平利用該能量?！眲⒂勒f，“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，我們主要就是解決如何將上億度的高溫等離子體長時(shí)間約束起來，讓其能充分反應(yīng)，解決聚變自持燃燒的問題?！?br />
盡管過程艱難，我國在聚變裝置研發(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“中國環(huán)流器二號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，使我國在繼歐盟、美國和日本之后，站上了核聚變研究的先進(jìn)平臺。作為中國磁約束聚變實(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)接近國際前沿的嶄新階段。在2016年的實(shí)驗(yàn)中，HL-2A首次利用無源間隔波導(dǎo)陣列（PAM）天線在H模條件下實(shí)現(xiàn)了低雜波耦合，為ITER低雜波電流驅(qū)動天線設(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、高電子溫度的長脈沖運(yùn)行大于100秒。
出色完成ITER采購包任務(wù)
“中國能夠參加ITER，是因?yàn)檫^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)?！眲⒂勒f。
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優(yōu)勢，憑借ITER組織的充分認(rèn)同和良好溝通，聯(lián)合國內(nèi)相關(guān)優(yōu)勢企業(yè)展開了技術(shù)攻關(guān)，我國承擔(dān)的ITER采購包任務(wù)進(jìn)展順利，取得了一系列技術(shù)突破，成果豐碩。
比如，國內(nèi)能不能提供ITER所用的超導(dǎo)材料？
答案是肯定的?！巴ㄟ^這個(gè)項(xiàng)目，我們在超導(dǎo)材料方面完全走到了國際前列。此外，校正場線圈等材料也是由中國全部承擔(dān)?！眲⒂勒f。
再如，在眾多采購包中，西物院承擔(dān)的“第一壁”通過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)鍵工藝通過了IO（ITER國際組織）認(rèn)證；ITER中子屏蔽模塊采購包（SB）目前已進(jìn)入國內(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)施帶動了國內(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?！眲⒂涝u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，使聚變堆的過程能夠再快一點(diǎn)。”劉永說，中國的聚變能發(fā)展路線圖已初見端倪，我國將為爭取早日建成聚變堆、率先實(shí)現(xiàn)核聚變能不懈努力。2035-2040年，我國將建造中國聚變工程試驗(yàn)堆CFETR，并啟動聚變示范堆DAMO的設(shè)計(jì)，為本世紀(jì)中葉在我國獨(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)?！熬圩兌褜⒃诟咂焚|(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。”
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