战新产业 | ③中国的“人造太阳”是怎样聚变的？

 人参与 | 时间：2024-11-06 08:04:43
原标题：战新产业 | ③中国的人造太阳“人造太阳”是怎样聚变的 ？ 战新产业 | ③中国的“人造太阳”是怎样聚变的？ 编者按 战略性新兴产业代表新一轮科技革命和产业变革的方向，是战新③中国家培育发展新动能、赢得未来竞争新优势的产业关键领域。5月24日，样聚国资委召开的人造太阳中央企业加快发展战略性新兴产业部署会指出，深刻认识新时代新征程国资央企使命任务 ，战新③中以高度的产业政治责任感和历史使命感 ，全力以赴发展战略性新兴产业 。样聚近年来 ，人造太阳中央企业持续加大战略性新兴产业投入力度，战新③中国有经济战略支撑作用不断增强  。产业《国资报告》杂志特推出战新产业系列报道 ，样聚呈现央企在发展战略性新兴产业方面的人造太阳成绩、经验与担当 。战新③中今天，产业我们为您分享系列报道第三篇《中国的“人造太阳”是怎样聚变的？》 文 · 本刊记者 潘伟 《国资报告》杂志2023年第10期 近期，中核集团核工业西南物理研究院（以下简称“中核集团西物院”）新一代人造太阳“中国环流三号”（HL-3）首次实现100万安培等离子体电流下的高约束模式运行，再次刷新我国磁约束聚变装置运行纪录。今年4月，世界首个全超导托卡马克“东方超环”（EAST）成功实现了403秒稳态长脉冲高约束模式等离子体运行，创造了托卡马克装置高约束模式运行新的世界纪录。 2022年10月19日 ，中国新一代“人造太阳”等离子体电流突破100万安培 近年来  ，国内外核聚变研究陆续取得突破性进展。不过 ，中国工程院院士李建刚坦言 ，核聚变研究成果真正投入商用，变成送入千家万户的电 ，可能至少还需要几十年 。他坚信 ：不久的将来，中国一定有一盏灯被核聚变点亮。 核工业是高科技战略产业，是国家安全的重要基石。以中核集团西物院、中国科学院等离子体物理研究所等为代表的中国核聚变研究机构是我国推进核聚变技术研发与国际合作的中坚骨干力量 ，在过去几十年里为中国核聚变研究事业的“薄发”打下了深厚基础 。 最接近理想的终极能源 “万物生长靠太阳”不仅是一句歌词 ，还是一门科学。煤炭、石油 、天然气 、风能  、光伏能、生物能等人类使用的大部分能源根本上都来源于太阳，本质上都属于太阳能，产生于太阳内部每时每刻发生着的核聚变 。 在科幻电影《流浪地球2》中，推动地球远航的就是上万个所谓“行星发动机”，其能量来自于“受控核聚变” 。由于和太阳内部的核聚变原理相同 ，受控核聚变实验装置又被称为“人造太阳” 。在现实里 ，虽然人类进行了60多年的不懈探索，但是受控核聚变目前仍然处于实验阶段。 中核集团党组书记 、董事长余剑锋表示 ：“未来可控核聚变的实现，有望为解决人类能源问题提供终极方案。” 据了解 ，核能包括核裂变能和核聚变能，目前人类核能发电利用的是核裂变 。核裂变和核聚变都有受控和不受控两大类 。原子弹是利用不受控核裂变原理，而受控核裂变则可以用来发电等 。氢弹比原子弹威力更强 ，利用了不受控核聚变原理；如果受控核聚变研究实现突破，那么人类距离商业化运行核聚变发电等就不再遥远。 受控核聚变具有固有安全性 ，因此不会发生像切尔诺贝利、福岛核电站这样的悲剧 。“谈核色变”的时代也将彻底与人们告别。 “由于燃烧的氘氚等离子体被磁场约束在真空容器内，其密度比空气低数个量级，聚变堆氘氚燃料含量也较低 ，因此不会引起爆炸，也不会导致泄漏事故  。”中核集团核聚变领域首席专家段旭如说 。 记者了解到 ，与传统能源相比，聚变能具有原料丰富  、清洁环保 、不产生直接放射性核废料等优点 。这些优点与核聚变发生过程的基本原理密切相关 。 那么核聚变是如何产生能量的呢 ？爱因斯坦的质能方程式E=mc²（能量等于质量乘以光速的平方）揭示了质量和能量相互转化的理论过程 。以最常见、最容易实现的核聚变形式之一“氘氚聚变”为例，当一个氘原子（原子核内有1个质子和1个中子）和一个氚原子（原子核内有1个质子和2个中子）发生聚合反应，会生成一个氦原子（原子核内有2个质子和2个中子），并释放一个中子，同时因为质量发生亏损释放约17.6兆电子伏特的能量。 新一代人造太阳——中国环流三号 从“投入的原料”来看，核聚变用到的燃料氘 ，广泛存在于海水中。我国著名核物理学家、“两弹一星 功勋奖章”获得者王淦昌在《21世纪主要能源展望》中表示：“1升海水中所含的氘（D）全部聚变释放出的能量相当于300L（升）的汽油 。因此水中的氘可供人类用几百亿年之久。”此外，氚则可以在反应堆中通过锂再生，而锂大量存在于地壳和海水中。 从“产出的物质”来看，核聚变没有产生任何直接放射性核废料 ，也没有碳排放 ，而中子对堆结构材料的活化只产生少量易于处理的短寿命放射性物质。业内专家表示，这可以说污染非常小 ，最接近理想了。此外 ，也可以使用氦-3进行热核反应，氘和氦-3聚变是反应条件仅次于氘氚的聚变燃料 ，其产物中无中子，放射性小。其最主要的缺点是 ，氦-3在地球上的储量有限且价格昂贵。氦-3虽然在地球上储量很少，但是在月球上储量巨大。 2022年9月 ，嫦娥五号的最新科学成果公布。其中一项成果显示，中核集团实现我国首次成功获得嫦娥五号月壤中未来聚变能源资源——氦-3含量及提取参数条件，为我国月球资源评价和开发提供了基础科学数据 。 为什么受控核聚变至今处于实验阶段 ？实现聚变反应的条件十分苛刻，需要足够高的等离子体温度、密度，并维持一定的反应时间，即由英国物理学家劳森在20世纪50年代提出的“聚变三重积”。 其中，“苛刻”在高温方面的表现之一就是：需要温度达到1亿摄氏度以上 ，要知道太阳的核心温度也不过约为1500万摄氏度。因而，满足“劳森判据”、实现输出能量大于输入能量等是人类五六十年以来一直在努力解决的问题。 不算晚的起步 在过去的十多年里  ，以中核集团西物院 、中国科学院等离子体物理研究所等为代表的中国核聚变研究实现了从跟跑到并跑 ，再到部分领跑。 “在磁约束核聚变方面，中国的核技术（特别是高通量堆 、中子源 、加速器等）对美国具有优势。”第八届国务院学位委员会学科评议组成员和理论经济学联席召集人 、复旦大学经济学院院长 、中国经济研究中心主任张军今年在探讨“中国核聚变产业化的挑战与能源强国战略规划思路”时表示：“在核聚变领域 ，美国尚不具备卡住中国‘脖子’的技术储备和产业实力，难以实现对华绝对技术优势 。” 核聚变能的开发是具有前瞻性、创新性、综合性 、长周期的大科学工程 ，远非一朝一夕之间就能成功追赶。中国积累起核聚变技术优势的原因之一就在于并不算晚的起步。 20世纪50年代初 ，美国、英国和苏联在研制核武器的同时，也在从事受控核聚变的研究工作 。1952年 ，人类历史上第一颗氢弹在太平洋马绍尔群岛的埃尼威托克珊瑚岛被引爆 ，产生的爆炸当量相当于广岛原子弹的500倍 。 同一时期 ，我国及时前瞻性战略性布局开展受控核聚变研究，随着老一辈核物理学家李正武  、王承书等人倡导开展“可控热核反应”研究，中国核聚变—— “人造太阳”的研究就此拉开了帷幕。1965年 ，伴随着三线建设，在四川乐山建立了我国磁约束核聚变研究基地——核工业西南物理研究院  。中核集团西物院建于1965年，在艰苦的环境中投身于核聚变研究工作。 1983年，我国提出核能发展“热堆—快堆—聚变堆”的“三步走”战略  ，为我国核能事业发展指明了路线和方向。2023年恰逢“三步走”战略实施的第40年 。 历经半个多世纪的艰苦奋斗，中核集团一代又一代“核聚变人”以“夸父追日”般的精神 ，努力将“人造太阳”的理想变为现实  。1984年建成了中国环流一号（HL-1），1994年将其改建成中国环流新一号（HL-1M），2002年建成我国第一个具有偏滤器位形的托卡马克装置中国环流二号（HL-2A），2020年新一代人造太阳装置“中国环流三号”（HL-3）建成 ，2022年中国新一代“人造太阳”装置（HL-3）等离子体电流实现115万安培…… 新一代人造太阳——中国环流三号 其中 ，中国环流一号（HL-1）是中核集团西物院在没有图纸资料和技术条件下，历经8年辛苦攻关  ，最终研制成功的中国第一个大型人造太阳实验装置 ，更是我国核聚变研究的重要里程碑 。以著名核物理学家王淦昌教授为首的一批科学家于1990年和1992年两次对中国环流一号物理成果进行评议，一致认为“达到了国际同类装置中等离子体参数的国际水平” 。据悉，中核集团西物院通过中国环流一号取得5000多项科研成果 ，获国家科技进步奖一等奖  。 “中国环流一号”装置原址已经成为国家重点文物保护单位 、全国工业文化遗产 、全国科普教育基地、全国科学家精神教育基地……如今陈列在四川省乐山市的中国核聚变博物馆面向公众开放 。 借力ITER贡献中国智慧 正是有了几代人半个多世纪的奋斗和积淀 ，才有了后来中国抓住“国际热核聚变实验堆”（International Thermonuclear Experimental Reactor ，以下简称“ITER”）计划的机遇，实现了近10多年以来中国核聚变研究突飞猛进的发展。 “中国能够参加ITER，是因为过去50年我们打下了很好的基础 ，这几年的进展更是突飞猛进 。”中核集团战略咨询委委员、西物院科技委主任刘永说 。 据了解 ，ITER计划旨在建造一个电站级别的可自持燃烧的托卡马克核聚变实验堆 ，以便对未来聚变示范堆及商用聚变堆的物理和工程问题做深入探索。 作为当今世界最大的大科学工程国际科技合作计划之一，ITER计划包括中国 、欧盟、印度 、日本、韩国、俄罗斯、美国7个成员方 ，共有30多个国家 。中国于2006年加入该计划 。 中核集团紧紧抓住ITER计划这个难得的历史机遇，组织相关成员单位，承接相关制造任务 ，攻克技术难题，为ITER计划贡献了“中国智慧”和“中国方案” 。 自2008年以来，我国陆续承担了18个采购包的制造任务 ，涵盖了ITER装置关键部件 ，由国内上百家科研院所、企业承担。其中 ，中核集团西物院和中国科学院等离子体物理研究所是中国参与ITER计划的主要承担单位；航天科工贵州航天新力、西部超导、宁夏东方 、合肥科烨等企业参与了ITER计划相关部件 、材料、工艺的研发和加工。 其中 ，中核集团西物院承担了ITER计划中多个关键部件的研制任务 ，包括磁体支撑系统 、包层第一壁 、包层屏蔽模块、气体注入系统等采购包项目 。针对ITER采购包任务 ，中核集团西物院在设计创新 、特殊材料研制、材料连接技术 、关键部件制造技术和试验检测技术开发等方面取得突破，突破了一系列聚变工程关键技术。 ITER安装工程开工仪式 我国参与ITER计划不仅为国际热核聚变研究发展作出了贡献，也使中国率先掌握大型托卡马克工程安装能力及相关核心技术，为未来自主建造聚变商用堆积累了宝贵的经验等 。 “中国的聚变技术因ITER得到长足发展，如高功率的连续波加热、遥控机器人维护以及材料 、大型低温系统 、大型电源……这十年来，中国在聚变的各个领域都迅速发展 ，有些走到了世界前列。”中国工程院院士万元熙说 。 ITER副总干事 、中国国际核聚变能源计划执行中心原主任罗德隆曾表示：“现在回过头看 ，我国当时做出加入ITER计划的决定确实是中央高瞻远瞩 。如果不做这样的决策，损失一定很大 。” 中核集团西物院于2020年12月在四川省成都市建成中国环流三号（HL-3）。该装置是我国目前规模最大 、参数最高的先进托卡马克装置 ，是我国自主设计建造的新一代先进磁约束核聚变实验研究装置 。 据了解，中国环流三号（HL-3）是实现我国核聚变能开发事业跨越式发展的重要依托装置 ，也是我国消化吸收ITER技术不可或缺的重要平台。未来 ，它将成为中国携手世界核聚变能开发的国际合作平台，培养造就一批具有国际水平的核聚变科技领军人才与高水平的创新团队 ，形成一批具有国际影响力的标志性科技成果 。 ITER计划总干事彼得罗·巴拉巴斯基近日表示，ITER计划近10年的发展中，中国智慧与力量的贡献不可小觑。 以开放合作推动自主创新 中核集团始终坚持立足自主创新 ，加强开放合作，促进新形势下的国际交流合作，取得了核聚变领域的累累硕果。 中核集团不仅承担了ITER的一系列设备材料研制供货任务，还与国际原子能机构、法国 、德国 、俄罗斯等30多个国际组织和国家的科研机构 、大学 、企业建立了合作关系。 2018年1月 ，中核集团西物院携手法国原子能委员会、中国国际核聚变能源计划执行中心、中国科学院等离子体物理研究所共同成立中法聚变联合研究中心。中核集团西物院坚持国际化视野，深入推进国际交流合作 ，依托中法聚变能源中心 ，发挥国际合作示范基地作用 ，近十年来，开展了30余项国际科技合作项目，共派出1100余人次赴境外学习交流 ，外派执行海外重点项目人员170余人  ，外派30余人赴ITER等国际机构任职 。 2019年9月 ，中核集团牵头的中法联合体正式与ITER组织签订了主机安装一号合同（Tokamak Assembly Contract 1, 以下简称“TAC1”） 。中法联合体由中国核电工程有限公司牵头 ，核工业西南物理研究院 、中国核工业二三建设有限公司、中国科学院等离子体物理研究所、法国法马通公司五家单位组成。TAC1安装标段工程如同核电站核岛里的反应堆 、人体的心脏，重要性不言而喻  。 中核集团科技人员在新一代“人造太阳”真空室内解决安装调试过程中的技术难点 经过约两年的合作与努力 ，2021年10月 ，ITER宣布TAC1联合体团队成功实现主机安装第一阶段任务  ，具备吊装真空容器的条件。全球最大“人造太阳”ITER的“心脏”安装第一阶段成功完成 ，不仅是中核集团向全球核能高端市场迈出的实质性一步 ，也是中核集团开放合作的典型案例  。 全球最大“人造太阳”ITER“第一壁”（核聚变中面对高温等离子体的一层固体结构）的研制完成 ，则展现了以中核集团西物院为代表的中国核聚变研究 ，具有强大自主创新能力 。 根据上文所提到的“聚变三重积”，要实现核聚变，其中仅温度就要达到1亿摄氏度以上的高温。在托卡马克装置中 ，面向上亿摄氏度堆芯的就是“第一壁”，研制难度可想而知 。 “这是中国团队承担的一项高难度任务。当时世界上满足ITER第一壁要求的特殊材料只有美国有 。”中核集团西物院聚变科学所所长钟武律说。 2022年11月，被喻为ITER“防火墙”的增强热负荷第一壁完成首件制造。据介绍 ，其核心指标显著优于设计要求，具备了批量制造条件，标志着中国全面突破“ITER增强热负荷第一壁”关键技术 ，实现该项核心科技持续领跑。中国团队领先国际完成首件制造，再次为ITER关键部件的研发取得实质性工程突破  。 罗德隆表示，这为我国自主掌握关键技术 、履行国际承诺、展现大国担当作出了巨大贡献 。 受控核聚变作为中国核能发展“热堆—快堆—聚变堆”三步走战略体系的重要组成部分 ，是解决国家能源需求 、助推“双碳”目标实现 、促进新型能源体系构建和保障国家能源安全的关键科技变量。中国聚变人将坚定不移推进新时代聚变发展路线图 ，与国际同行携手攻关 ，共赴共圆实现人类理想清洁能源的终极梦想。 end 左右滑动查看2023年第10期目录 将“国资报告”设为“星标” 扫码进入小程序 阅读《国资报告》电子刊返回搜狐，查看更多 责任编辑 ： 顶: 6659踩: 7212