我國核聚變之路任重而道遠(yuǎn)

況冬　陳晨

眾所周知，核聚變能資源無限，能夠和諧高效地解決人類社會(huì)的能源問題、環(huán)境問題，推動(dòng)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，是人類的終極能源目標(biāo)之一。核聚變能源的誘惑力如此之大，以至于世界各國都不愿只做旁觀者，特別是俄羅斯、美國、日本和歐盟等一些重要國家和國際組織，早已著手布局。我國也不甘人后，數(shù)十年如一日地發(fā)展研究，開啟了核聚變研究的創(chuàng)業(yè)之旅與逆襲之路。

我國核聚變的創(chuàng)業(yè)之旅

從20世紀(jì)50年代開始，很多國家都對(duì)核聚變研究青睞有加。美國、蘇聯(lián)、歐共體、日本等或是為鞏固大國地位，或是為解決能源短缺問題，早早地開始了對(duì)核聚變的研究。我國的受控核聚變研究起步也比較早，可以追溯到20世紀(jì)50年代后期，并逐步建成等離子物理研究所和西南物理研究所2個(gè)專業(yè)單位，專注于受控核聚變的研究。

隨著蘇聯(lián)T-3托卡馬克裝置開啟了核聚變研究領(lǐng)域的托卡馬克時(shí)代，我國科學(xué)家注意到這一巨大成就，開始建立托卡馬克研究課題，并于1974年建成我國第一臺(tái)鐵芯變壓器托卡馬克裝置CT-6，自此走上了核聚變的創(chuàng)業(yè)之旅。

等離子體研究所先后對(duì)CT-6裝置進(jìn)行了2次改造，并將裝置分別命名為“HT-6A”和“HT-6B”，通過研究取得了初步成果。在積極改造裝置的同時(shí)，等離子體研究所也在不斷創(chuàng)新，于1980年設(shè)計(jì)了一個(gè)更大的核聚變實(shí)驗(yàn)裝置HT-6M。通過鑒定，該裝置性能優(yōu)良，達(dá)到同類裝置的國際水平，充分表明等離子體研究所已經(jīng)具備建造中型受控核聚變裝置的能力。

與此同時(shí)，西南物理研究所取得的研究成果也頗豐。1984年，該所研制出當(dāng)時(shí)我國規(guī)模最大的托卡馬克裝置——中國環(huán)流器一號(hào)（HL-1）。1995年，該所將其升級(jí)為等離子體主要參數(shù)更高的HL-1M。2002年，該所又將德國贈(zèng)送的托卡馬克ASDEX改造成我國第一個(gè)具有偏濾器位形的中國環(huán)流器二號(hào)A（HL-2A），并在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了偏濾器位形放電。從CT-6到HL-2M（HL-2A的升級(jí)版），我國的常規(guī)超導(dǎo)托卡馬克裝置規(guī)模越來越大，參數(shù)越來越高，取得了令人矚目的成績。同時(shí)，該研究所也培養(yǎng)了大批的受控核聚變相關(guān)科研人才，為我國的核聚變研究奠定了基礎(chǔ)，積蓄了力量。

CT-6

我國核聚變裝置在自主研制的同時(shí)，也積極引進(jìn)改造，雙管齊下。蘇聯(lián)建造的T-7是世界上第一個(gè)超導(dǎo)托卡馬克裝置，它的一些關(guān)鍵設(shè)備當(dāng)時(shí)在國內(nèi)還無法制造。蘇聯(lián)在表明了贈(zèng)送的意愿之后，等離子體研究所在霍裕平所長的帶領(lǐng)下，認(rèn)真分析了國際核聚變發(fā)展的趨向，認(rèn)為超導(dǎo)磁體是磁約束核聚變裝置發(fā)展的必由之路，于是研究所決定抓住機(jī)遇，停止在建的非超導(dǎo)托卡馬克項(xiàng)目，采用以易貨貿(mào)易的方式引進(jìn)T-7裝置，并集中全所主要的人力和物力對(duì)T-7裝置及其低溫系統(tǒng)進(jìn)行根本性的改造，在較短時(shí)間內(nèi)將一個(gè)原本不具備物理實(shí)驗(yàn)功能的T-7裝置改造成能夠開展多種實(shí)驗(yàn)的先進(jìn)裝置HT-7。與常規(guī)超導(dǎo)托卡馬克不同的是，它的縱場(chǎng)線圈采用鈮鈦（NbTi）超導(dǎo)體繞制而成，電阻為零，即使通過很大的電流線圈也不會(huì)發(fā)熱。

一般來說，建造HT-7這樣的裝置正常投資要數(shù)十億元，而這次僅僅花費(fèi)了約2億元，就建成了當(dāng)時(shí)非常先進(jìn)的大型超導(dǎo)脈沖核聚變研究裝置，讓我國步入了世界核聚變研究的先進(jìn)水平。

HT-7裝置總共運(yùn)行了18年，在此期間進(jìn)行了將近20輪的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，總共放電10萬多次，取得了多項(xiàng)工程和物理上的重要成果。2003年3月，該裝置獲得了超過1分鐘的等離子體放電，成為第2個(gè)能產(chǎn)生分鐘量級(jí)高溫等離子體放電的托卡馬克裝置，這大大提升了我國在磁約束核聚變研究領(lǐng)域的地位。2008年3月，HT-7裝置再次創(chuàng)下新紀(jì)錄，連續(xù)重復(fù)實(shí)現(xiàn)了長達(dá)400秒的等離子體放電，這是當(dāng)時(shí)國際同類裝置中持續(xù)時(shí)間最長的。2012年10月，HT-7裝置正式“退役”。

HT-7裝置不僅是我國第一臺(tái)超導(dǎo)托卡馬克裝置，而且也是世界上少有的幾個(gè)超導(dǎo)托卡馬克裝置之一。它的成功建設(shè)和運(yùn)行，為中國的核聚變事業(yè)全面走向國際舞臺(tái)開拓了一條創(chuàng)新之路，使我國的核聚變研究躋身于世界核聚變研究的前沿。

我國核聚變的逆襲之路

在成功建設(shè)HT-7超導(dǎo)托卡馬克裝置之后，中國科學(xué)院等離子體物理研究所又提出建設(shè)全超導(dǎo)托卡馬克裝置的構(gòu)想。當(dāng)時(shí)，國際上已經(jīng)建成的超導(dǎo)托卡馬克裝置只有縱場(chǎng)磁體部分是超導(dǎo)材料，由于造價(jià)太高、制造難度大等原因，并沒有制造全超導(dǎo)托卡馬克裝置的先例。而未來的核聚變電站需要長時(shí)間連續(xù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，要求裝置的所有磁體都由超導(dǎo)線圈繞制。這充分說明磁約束核聚變的發(fā)展方向是超導(dǎo)托卡馬克，故而建設(shè)全超導(dǎo)托卡馬克裝置勢(shì)在必行。

于是，中國科學(xué)院等離子體研究所提出了“HT-7U全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克裝置建設(shè)”計(jì)劃，即“東方超環(huán)”——EAST。等離子體研究所克服重重困難，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。裝置的內(nèi)部線圈全部采用了超導(dǎo)材料，這是世界首臺(tái)全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克裝置。項(xiàng)目從開工建造到完成總裝，耗時(shí)約5年，于2006年完成工程調(diào)試，并實(shí)現(xiàn)首次放電。2012年，EAST獲得411秒2000萬攝氏度高溫等離子體持續(xù)放電，創(chuàng)造該類型裝置連續(xù)運(yùn)行最長時(shí)間的世界紀(jì)錄。2017年7月，EAST實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的101.2秒長脈沖約束等離子體運(yùn)行，是世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)百秒量級(jí)的裝置。EAST的成功建造和運(yùn)行，為我國磁約束核聚變研究的下一步計(jì)劃奠定了堅(jiān)實(shí)的物理、工程技術(shù)和人才隊(duì)伍基礎(chǔ)，同時(shí)也大大推進(jìn)了人類核聚變事業(yè)的發(fā)展，受到國際核聚變界的高度評(píng)價(jià)。

在自我發(fā)展的同時(shí)，我國也注重加強(qiáng)國際合作。2003年，我國正式加入ITER計(jì)劃，并承擔(dān)了一部分ITER裝置的設(shè)計(jì)和建造工作。作為ITER計(jì)劃7個(gè)合作方之一，我國承擔(dān)了其中約9%的科研建設(shè)任務(wù)，同時(shí)享有5%以上的職員配比。隨著ITER計(jì)劃的推進(jìn)和我國科技實(shí)力的增強(qiáng)，這一比例在不斷上升。

HL-1

HL-1M

中國環(huán)流二號(hào)A（HL-2A）

中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆

HT-7

EAST作為最“接近”于ITER的托卡馬克裝置，與ITER有類似的先進(jìn)非圓截面偏濾器磁場(chǎng)位形，并具有一體化設(shè)計(jì)的極向場(chǎng)系統(tǒng)、以射頻波加熱為主等特性。這些特性使得EAST成為對(duì)ITER關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的平臺(tái)，大大降低了ITER的風(fēng)險(xiǎn)。以EAST為依托，我國對(duì)于ITER的建設(shè)和運(yùn)行將有十分重要的貢獻(xiàn)。全面參與ITER計(jì)劃，有利于我國磁約束核聚變相關(guān)研究的“走出去”和“引進(jìn)來”，促進(jìn)我國核聚變研究實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。

我國在參與建設(shè)ITER的同時(shí)，也在籌劃建造新一代的超導(dǎo)托卡馬克聚變工程實(shí)驗(yàn)堆——CFETR，它是聚變堆發(fā)電從實(shí)驗(yàn)堆過渡到原型電站不可或缺的工程堆。與ITER相比，未來CFETR能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)態(tài)或長脈沖“燃燒”等離子體，還能夠?qū)崿F(xiàn)氚的自給自足。與EAST不同的是，CFETR正逐步走向?qū)嵱没?，瞄?zhǔn)了未來聚變能的開發(fā)和應(yīng)用。我國計(jì)劃建成世界首個(gè)聚變實(shí)驗(yàn)電站，并在2050年實(shí)現(xiàn)核聚變商業(yè)化，完成人類終極能源的夢(mèng)想。

EAST裝置的真空抽氣系統(tǒng)

CFETR項(xiàng)目的實(shí)施，對(duì)于解決能源危機(jī)問題具有重要意義，同時(shí)對(duì)于我國完全掌握設(shè)計(jì)和建造下一代聚變堆的技術(shù)有著重要的戰(zhàn)略意義。在縮小ITER建設(shè)延遲對(duì)我國核聚變研究進(jìn)度影響的同時(shí)，可以全面消化吸收ITER的關(guān)鍵技術(shù)，掌握聚變堆相關(guān)的物理工程技術(shù)。這個(gè)項(xiàng)目將快速推動(dòng)我國走向世界核聚變領(lǐng)域的中央，并助力中國技術(shù)引領(lǐng)世界這一夢(mèng)想的實(shí)現(xiàn)。

我國核聚變的未來之途

在半個(gè)多世紀(jì)“人造小太陽”的研究征程中，世界各國建造的托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置已逾百座，放電時(shí)間從幾微秒到數(shù)百秒不等，人類的核聚變研究取得了巨大的進(jìn)步和發(fā)展。但距離實(shí)現(xiàn)核聚變能發(fā)電的目標(biāo)還有很長的路要走。

在近半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間里，我國的核聚變研究之路經(jīng)歷了從無到有、從弱到強(qiáng)、從跟隨到領(lǐng)跑的歷程。回首過去，數(shù)代托卡馬克裝置的成功建造和運(yùn)行，為未來穩(wěn)態(tài)、先進(jìn)聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆的建成奠定了良好的工程技術(shù)和物理基礎(chǔ)。放眼未來，我國核聚變科研團(tuán)隊(duì)以卓越的眼光繪制了發(fā)展藍(lán)圖，通過參加和支持ITER項(xiàng)目，以及推進(jìn)CFETR項(xiàng)目進(jìn)程，我國將實(shí)現(xiàn)開發(fā)核聚變能的跨越式發(fā)展，并為最終實(shí)現(xiàn)核聚變能的實(shí)際應(yīng)用作出重要貢獻(xiàn)。

CFETR項(xiàng)目的推進(jìn)，不但能為我國進(jìn)一步獨(dú)立自主地開發(fā)和利用核聚變能奠定堅(jiān)實(shí)的科學(xué)技術(shù)與工程基礎(chǔ)，而且使我國率先利用核聚變發(fā)電、實(shí)現(xiàn)能源的跨越式發(fā)展成為可能。我國將繼續(xù)引領(lǐng)磁約束核聚變研究朝著更高的科學(xué)目標(biāo)邁進(jìn)，向核聚變能的和平開發(fā)利用目標(biāo)更進(jìn)一步。

“路漫漫其修遠(yuǎn)兮，吾將上下而求索”。核聚變之路雖然充滿了荊棘與坎坷，但我們相信，未來核聚變的發(fā)展前途一片光明，總有一天我們會(huì)成功建成核聚變商業(yè)電站，以供未來人們生產(chǎn)和生活所用。同時(shí)，我們也殷切地希望，我國能夠早日實(shí)現(xiàn)核聚變商業(yè)化，率先讓“人造小太陽”之光點(diǎn)亮世界，造福人類。