中國(guó)核聚變研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

張微　杜廣　徐國(guó)飛

【摘 要】與傳統(tǒng)的石化能源相比，核聚變能具有清潔、高效和資源無(wú)限等特點(diǎn)。在全球溫室效應(yīng)和環(huán)境污染日趨嚴(yán)重的背景下，核聚變發(fā)電的優(yōu)勢(shì)日趨明顯。未來(lái)核聚變的發(fā)展有可能會(huì)成為世界能源的重要組成部分。本文介紹了核聚變能的特點(diǎn)和發(fā)展歷程，通過(guò)對(duì)我國(guó)各主要核聚變裝置的介紹，分析和總結(jié)了國(guó)內(nèi)核聚變的研究現(xiàn)狀，并對(duì)我國(guó)核聚變的發(fā)展趨勢(shì)和發(fā)展路線進(jìn)行展望。

【關(guān)鍵詞】核聚變;托克馬克;等離子體

中圖分類(lèi)號(hào)： TL61 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）05-0148-003

0 前言

核能已日益成為當(dāng)今世界的主要能源，其中核裂變技術(shù)已經(jīng)成熟，并被廣泛用于核能發(fā)電。核能所占的比例也越來(lái)越大。在法國(guó)核能占比約76%，在美國(guó)核能占比約30%。根據(jù)中國(guó)核能行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2017年上半年，我國(guó)核能發(fā)電量占比約3.90%。根據(jù)“十三五”規(guī)劃，到2030年，我國(guó)核能發(fā)電量占比會(huì)達(dá)到約10%左右。但是中國(guó)鈾礦資源稟賦不佳，國(guó)內(nèi)產(chǎn)量難以滿(mǎn)足如此大規(guī)模的核電發(fā)展需求，從而使得中國(guó)鈾礦資源對(duì)外依存度逐漸攀升。然而全球鈾礦資源趨于壟斷，嚴(yán)重影響我國(guó)鈾礦資源的市場(chǎng)安全。因此，不依賴(lài)鈾礦的核聚變能源優(yōu)勢(shì)日漸明顯。未來(lái)核聚變的發(fā)展有可能會(huì)成為世界能源的重要組成部分。

1 核聚變能簡(jiǎn)介

核聚變和核裂變理論都來(lái)自著名的愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程E=mc2，核聚變釋放的能量比核裂變要大得多。核聚變是指將兩個(gè)較輕的核結(jié)合而形成一個(gè)較重的核和一個(gè)極輕的核（或粒子）的一種核反應(yīng)。兩個(gè)較輕的核在融合過(guò)程中產(chǎn)生質(zhì)量虧損而釋放出巨大的能量，如下三個(gè)聚變反應(yīng)分別是氘-氘反應(yīng)，氘-氦反應(yīng)和氘-氚反應(yīng)。其中氘氚反應(yīng)是地球上最容易實(shí)現(xiàn)的聚變反應(yīng)。

氘與氚可直接取自海水，來(lái)源幾乎取之不盡。以100萬(wàn)千瓦的電站一年所需燃料比較，如圖1所示。傳統(tǒng)的燃煤電廠需要大約200萬(wàn)噸煤，燃油電廠需要約130萬(wàn)噸燃油。核裂變電廠需要約30噸UO2，大約一個(gè)火車(chē)皮。而核聚變?nèi)剂想南拇蟾?.6噸，大約等同于一輛皮卡的容量。由于資源“無(wú)限”，無(wú)二氧化碳排放，完全無(wú)放射性或無(wú)長(zhǎng)壽命放射性廢物排放，因此相對(duì)于化石能源和裂變核能，核聚變能是人類(lèi)未來(lái)更理想的新能源。

2 核聚變發(fā)電存在的困難

核裂變能在1945年第一顆原子彈研制成功，僅僅6年后的1951年就實(shí)現(xiàn)了核裂變的首次發(fā)電，到1954年建成首座核裂變電站，以及1960年以后大規(guī)模商用，核裂變發(fā)電在不到二十年的時(shí)間經(jīng)歷了從幾十到幾百萬(wàn)千瓦的迅猛發(fā)展。核聚變自1952年第一顆氫彈研制成功后，之后的大概40年左右世界各國(guó)都成立了等離子體物理研究所進(jìn)行等離子體物理基礎(chǔ)研究，以及近20年來(lái)核聚變裝置的大力發(fā)展，但是迄今為止核聚變發(fā)電仍然沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，存在許多科學(xué)和工程上的困難，核聚變發(fā)電技術(shù)的難度可見(jiàn)一斑。

實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)必須將聚變?nèi)剂霞訜嶂翗O高溫度并予以有效約束。核聚變通常有三種方式來(lái)產(chǎn)生，分別是引力約束、慣性約束和磁約束。太陽(yáng)就是典型的引力約束聚變，在太陽(yáng)中心的高溫高壓條件下，氫原子核聚變成氦原子核，并放出大量能量，猶如一個(gè)巨大的核聚變反應(yīng)裝置。氫彈是一種慣性約束聚變，氫彈是一種人工實(shí)現(xiàn)的、不可控制的熱核反應(yīng)。

基于20世紀(jì)60年代到90年代世界各國(guó)的等離子體物理研究，目前核聚變能的基礎(chǔ)研究已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，并且已經(jīng)獲得了最高溫度達(dá)2～4億度的聚變?nèi)紵入x子體。核聚變能的開(kāi)發(fā)和研究在磁約束托克馬克裝置上取得了重大進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)了一批重要的實(shí)驗(yàn)定標(biāo)率，而且磁約束聚變已接近“點(diǎn)火”（自持燃燒）的目標(biāo)。

3 中國(guó)核聚變裝置的研究現(xiàn)狀

我國(guó)核聚變研究起步于上個(gè)世紀(jì)50年代。經(jīng)過(guò)多年的探索，我國(guó)磁約束核聚變的研究重點(diǎn)現(xiàn)主要集中在托卡馬克裝置上。時(shí)至今日，已建成或在建大中小各類(lèi)托卡馬克裝置十多個(gè)。

3.1 HT-7超導(dǎo)托克馬克

1994年，中科院等離子體所建成了中國(guó)第一（世界第四）個(gè)超導(dǎo)托克馬克裝置HT-7。該裝置歷時(shí)三年半，花費(fèi)1800萬(wàn)，將原本不具備物理實(shí)驗(yàn)功能的裝置成功改造成能夠開(kāi)展穩(wěn)態(tài)高參數(shù)實(shí)驗(yàn)的超導(dǎo)托克馬克裝置。HT-7實(shí)現(xiàn)的63秒穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)間刷新了當(dāng)時(shí)的世界紀(jì)錄，于2003年被評(píng)選為“2003年度中國(guó)十大科技進(jìn)展”。

3.2 HL-2A

2002年，西南物理研究院建成HL-2A，該裝置是我國(guó)第一個(gè)具有先進(jìn)偏濾器位形的非圓截面的托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)研究裝置，其主要目標(biāo)是開(kāi)展高參數(shù)等離子體條件下的改善約束實(shí)驗(yàn)，并利用其獨(dú)特的大體積封閉偏濾器結(jié)構(gòu)，開(kāi)展核聚變領(lǐng)域許多前沿物理課題以及相關(guān)工程技術(shù)的研究，為我國(guó)下一步聚變堆研究與發(fā)展提供技術(shù)基礎(chǔ)。

3.3 中國(guó)“東方超環(huán)”EAST

EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak）是由中科院等離子體物理研究所在1998年至2006年研制的世界上首個(gè)全超導(dǎo)托克馬克裝置。等離子體物理研究所當(dāng)時(shí)面臨著國(guó)際上無(wú)建造全超導(dǎo)托克馬克的經(jīng)驗(yàn)，無(wú)穩(wěn)態(tài)控制及安全運(yùn)行的技術(shù)參考和無(wú)快速變化超導(dǎo)磁體技術(shù)。他們克服重重困難，獨(dú)立完成物理和工程設(shè)計(jì)，自主研發(fā)了所有的關(guān)鍵部件，于2006年1月完成了EAST主機(jī)總裝。同年9月成功獲得等離子體，并在之后的運(yùn)行中取得了一系列震驚中外的成果，其中最顯著的就是大于400秒的長(zhǎng)脈沖等離子體運(yùn)行，而實(shí)際上其他托克馬克等離子體只能維持幾秒。EAST做出的這些國(guó)際一流的成果，對(duì)未來(lái)ITER科學(xué)實(shí)驗(yàn)有重要意義。

4 中國(guó)核聚變的發(fā)展趨勢(shì)

4.1 中國(guó)加入ITER

ITER（International Thermonuclear Experimental Reactor）是目前正在建設(shè)世界上最大的實(shí)驗(yàn)性托卡馬克核聚變反應(yīng)堆。該組織成立于2007年，由七個(gè)成員實(shí)體資助和運(yùn)行，歐盟、印度、日本、中國(guó)、俄羅斯、韓國(guó)和美國(guó)。該項(xiàng)目預(yù)期將持續(xù)30年，其中10年用于建設(shè)，20年用于運(yùn)行，耗資超過(guò)百億美元。ITER是各國(guó)建實(shí)用聚變堆前最重要的共擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)的堆工程技術(shù)和堆物理技術(shù)的集成發(fā)展研究，為了建造未來(lái)具有實(shí)用意義的聚變堆奠定基礎(chǔ)。

ITER項(xiàng)目是中國(guó)建國(guó)以來(lái)最大的國(guó)際科技合作項(xiàng)目。中國(guó)加入ITER計(jì)劃帶來(lái)的多項(xiàng)現(xiàn)實(shí)意義：首先，通過(guò)參加該項(xiàng)目的建設(shè)，全面掌握相關(guān)知識(shí)和技術(shù)，使中國(guó)有可能在較短時(shí)間趕上磁約束聚變研究世界先進(jìn)水平，大大加快中國(guó)聚變能開(kāi)發(fā)進(jìn)程。其次，ITER是核科學(xué)技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)、大功率微波技術(shù)、等離子體技術(shù)、高能粒子束技術(shù)、復(fù)雜系統(tǒng)控制技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、精密加工技術(shù)等綜合集成，可拉動(dòng)中國(guó)相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展。再次，中國(guó)對(duì)ITER建造的貢獻(xiàn)中，將近百分之八十是以國(guó)內(nèi)制造的實(shí)物部件形式實(shí)現(xiàn)，這對(duì)提高中國(guó)企業(yè)技術(shù)能力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力也是個(gè)難得的機(jī)會(huì)。最后，中國(guó)參加實(shí)施ITER計(jì)劃，配合國(guó)內(nèi)必要的基礎(chǔ)研究、聚變反應(yīng)堆材料研究、聚變堆某些必要技術(shù)研究，有可能在較短時(shí)間、用較小投資使中國(guó)核聚變能研究在整體上進(jìn)入世界前沿，為中國(guó)自主開(kāi)展核聚變示范電站研發(fā)奠定基礎(chǔ)。

4.2 中國(guó)核聚變發(fā)展計(jì)劃

根據(jù)國(guó)家“十三五”科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，加速開(kāi)展我國(guó)聚變能發(fā)展研究，完成國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆裝置建設(shè)中我國(guó)承擔(dān)的國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆采購(gòu)包的設(shè)計(jì)、認(rèn)證以及制造技術(shù)研發(fā)，全面消化吸收國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆總體設(shè)計(jì)以及相關(guān)技術(shù)，開(kāi)展我國(guó)未來(lái)磁約束聚變堆的總體設(shè)計(jì)研究，加快人才培養(yǎng)，建設(shè)我國(guó)核聚變能研究創(chuàng)新體系。

中國(guó)核聚變發(fā)電的發(fā)展路線應(yīng)該是明確的即：全超導(dǎo)托克馬克。為了開(kāi)展我國(guó)磁約束聚變堆總體設(shè)計(jì)研究，中國(guó)聚變工程試驗(yàn)堆CFETR（China Fusion Engineering Test Reactor）項(xiàng)目應(yīng)運(yùn)而生，它是聚變堆發(fā)電從實(shí)驗(yàn)堆過(guò)渡到原型電站不可或缺的工程堆。2014年底，CFETR完成了工程概念設(shè)計(jì)。2017年中“中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆集成工程設(shè)計(jì)研究”（CFETR集成工程設(shè)計(jì)研究）項(xiàng)目獲批。CFETR目前已經(jīng)完成了總體設(shè)計(jì)并開(kāi)始了工程設(shè)計(jì)，計(jì)劃于2030年建成，一期目標(biāo)是Q=1～5，聚變功率為200MW，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。二期目標(biāo)是Q>10，巨變功率為1GW，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

大多數(shù)世界各主要聚變研發(fā)國(guó)家都有或在討論本國(guó)聚變未來(lái)的發(fā)展計(jì)劃。目前中國(guó)無(wú)疑是世界各主要聚變研發(fā)國(guó)家中獲得國(guó)家支持最強(qiáng)勁的國(guó)家。隨著ITER項(xiàng)目的建成和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以及我國(guó)聚變技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)核聚變的發(fā)展前途是光明的。從現(xiàn)在起，利用30～50年時(shí)間，通過(guò)參加和支持ITER項(xiàng)目，通過(guò)中國(guó)聚變路線圖的實(shí)施和CFETR的設(shè)計(jì)、預(yù)研和建造，將為我國(guó)開(kāi)發(fā)核聚變能的跨越式發(fā)展，為最終實(shí)現(xiàn)核聚變能的實(shí)際應(yīng)用做出重要貢獻(xiàn)！

【參考文獻(xiàn)】

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