可控核聚變的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

西安交通大學(xué) 武佳銘

可控核聚變的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

西安交通大學(xué) 武佳銘

本可控核聚變具有一些其他能源不可比擬的優(yōu)勢(shì).一是原料來源豐富,核聚變的原料是重水,可以直接從海水中提煉.據(jù)測(cè)算,海水中氘的質(zhì)量濃度為0.03 g/L,因此,地球上僅在海水中就有45萬億t氘.1 L海水中所含的氘經(jīng)過核聚變可提供相當(dāng)于300 L汽油燃燒后釋放出的能量.如果把海水中的氘全部用于核聚變反應(yīng),其釋放出的能量足夠人類使用幾百億年.因此可以說,海水中的氘是取之不盡、用之不竭的能源.雖然在自然界中不存在氚,但利用反應(yīng)堆產(chǎn)生的中子轟擊氟化鋰、碳酸鋰或鋰鎂合金就可以大量生產(chǎn)氚,而海水中含有大量的鋰.二是核聚變的過程及其產(chǎn)物均不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染,也不會(huì)造成核泄漏的危害.核聚變不同于核裂變,其反應(yīng)后產(chǎn)生的物質(zhì)是惰性氣體氦,不產(chǎn)生放射性物質(zhì),不會(huì)污染環(huán)境.三是安全可靠.只要去掉核聚變反應(yīng)條件中的任何一項(xiàng),反應(yīng)就會(huì)徹底停止,不會(huì)發(fā)生像日本福島核電站的核裂變反應(yīng)堆發(fā)生過的那種因地震而停止運(yùn)行后,核燃料還繼續(xù)發(fā)熱引起爆炸的問題.

可控核聚變;核聚變;磁約束;托卡馬克類型的磁約束聚變裝置;清潔;氘;ITER

隨著以煤、石油、天然氣為代表的化石能源終將枯竭,基于核裂變反應(yīng)的核裂變能源也由于安全性和核廢料的處理等問題而不盡如人意.人類期待著新的能源.受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)能釋放巨大的能量,而且由于這種能源干凈、安全,且以用之不竭的海水作為原料,因此,受控?zé)岷司圩兡苁侨祟愊乱皇兰o(jì)的能源的主要希望所在.

中國(guó)傳統(tǒng)依靠水電和火電的傳統(tǒng)戰(zhàn)略被迫改變.原因如下:

1.交通壓力大

火力發(fā)電需要大量的煤炭資源,眾所周知,中國(guó)的煤炭分布極不均勻,卻大部分煤炭資源分布在山西、內(nèi)蒙古等少數(shù)幾個(gè)北方省份,而中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展則是先從沿海地區(qū)和南方地區(qū)先開始的,要把北方大量的煤炭運(yùn)到千里之外的東南沿海地區(qū),交通壓力可想而知.為此中國(guó)新建多條運(yùn)煤的鐵路,比如:大秦鐵路等,但遠(yuǎn)不能滿足運(yùn)力的需要.公路方面,從京藏高速內(nèi)蒙到北京段大塞車顯現(xiàn)就可知道,現(xiàn)有的公路不能解決不了運(yùn)力的矛盾問題.

2.火電污染環(huán)境

火電發(fā)電想大氣中排放有害氣體二氧化硫、溫室氣體二氧化碳和大量粉塵,對(duì)自然環(huán)境和人體健康有很大影響.

世界節(jié)能減排是大勢(shì)所趨,各國(guó)都有節(jié)能減排承諾.多年來,中國(guó)在能源消費(fèi)特別有害氣體排放和溫室氣體排放等方面飽受國(guó)際社會(huì)詬病,中國(guó)已經(jīng)在哥本哈根氣候會(huì)議上承諾,到2020年單位GDP二氧化碳強(qiáng)度減少40%到45%,這還是一個(gè)保守的能拿到國(guó)際層面上的數(shù)字,國(guó)內(nèi)的努力目標(biāo)可能會(huì)更多,要求更加嚴(yán)格.是實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo),恐怕最重要的是減少煤炭的需求,用其它的清潔能源代替煤炭了.

3.水電開發(fā)過度,面臨枯竭

2008年4月份,南方周末題為"西南水電為何瘋狂"的報(bào)道,文章闡述近些年國(guó)內(nèi)各大電力公司在西南地區(qū)跑馬圈地的情況,導(dǎo)致西南地區(qū)水電開發(fā)過度,比如:岷江的干支流的水電站約有60座以上,開發(fā)率超過了80%.中國(guó)的水資源有60%-70%分布在西南,而在西南地區(qū)的瘋狂開發(fā)至水電開發(fā)接近飽和,過度的開發(fā)也給生態(tài)環(huán)境帶來壓力.

4.其它清潔能源技術(shù)的不成熟

現(xiàn)在清潔能源主要包括:核電、太陽(yáng)能、風(fēng)電、生物能源等.太陽(yáng)能受地區(qū)限制,很多地方年平均太陽(yáng)日不足,無法開發(fā),且現(xiàn)在太陽(yáng)能技術(shù)還不成熟,發(fā)電規(guī)模小,占地面積大等絕點(diǎn),另外,最為重要的是太陽(yáng)能發(fā)電成本高,上網(wǎng)電價(jià)高達(dá)2-3元,如果沒有政府補(bǔ)貼,太陽(yáng)能發(fā)電基本不可能,如果把成本轉(zhuǎn)嫁到消費(fèi)者頭上,恐怕民眾的口水都能把電網(wǎng)和發(fā)電企業(yè)淹沒.風(fēng)力發(fā)電也首先地域限制和天氣限制,發(fā)電的規(guī)模小,無法滿足能源需求的快速增長(zhǎng).生物能源等目前還停留在技術(shù)研究和實(shí)驗(yàn)階段,無法投入使用.

所以說,發(fā)展核電是符合現(xiàn)在中國(guó)的國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的,因?yàn)楹穗娛且环N"安全可靠、高效、經(jīng)濟(jì)、清潔"的能源;核電是當(dāng)今世界上唯一技術(shù)成熟、可以大規(guī)模實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排的措施,是21世紀(jì)人類通向可持續(xù)發(fā)展的橋梁;因此發(fā)展核電,是我國(guó)能源發(fā)展的戰(zhàn)略性選擇,是我國(guó)能源安全供應(yīng)的重要保障.加快核電發(fā)展和核電制造技術(shù)國(guó)產(chǎn)化,也是我國(guó)機(jī)械制造行業(yè)技術(shù)水平和綜合制造能力提高的標(biāo)志,因此,也是提高我國(guó)綜合國(guó)力提高競(jìng)爭(zhēng)力的重要方面.

1.可控核聚變的定義

首先需要了解霧霾和我國(guó)能源戰(zhàn)略的基本概念,了解了基本國(guó)情,才會(huì)開始了解這兩者之間的關(guān)系.

1.1 核聚變的定義

太陽(yáng)的能量來自輕核聚變反應(yīng).太陽(yáng)每秒將6. 5 7億噸氫聚變成氦,虧損的質(zhì)量轉(zhuǎn)化成巨大的太陽(yáng)能,成為支持太陽(yáng)系統(tǒng)內(nèi)一切活動(dòng)的能量源泉.

核聚變是指質(zhì)量小的原子,主要是指氘,在一定條件下(如超高溫和高壓),只有在極高的溫度和壓力下才能讓核外電子擺脫原子核的束縛,讓兩個(gè)原子核能夠互相吸引而碰撞到一起,發(fā)生原子核互相聚合作用,生成新的質(zhì)量更重的原子核(如氦),中子雖然質(zhì)量比較大,但是由于中子不帶電,因此也能夠在這個(gè)碰撞過程中逃離原子核的束縛而釋放出來,大量電子和中子的釋放所表現(xiàn)出來的就是巨大的能量釋放.

1.2 可控核聚變定義

由于中子的危害和該反應(yīng)巨大的能量釋放,我們希望發(fā)明一種裝置,可以有效控制這個(gè)類似于"氫彈爆炸"的過程,讓能量持續(xù)穩(wěn)定的輸出,這就是可控核聚變.

圖1 核聚變?cè)硎疽鈭D

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù),以上圖中的氘-氚聚變反應(yīng)舉例,一升海水中含約30mg氘,通過聚變反應(yīng)可釋放出的能量相當(dāng)于300多升汽油的能量,而反應(yīng)產(chǎn)物是無放射性的.這就是說,1升海水可產(chǎn)生相當(dāng)于300升汽油的能量.一座100萬kW的核聚變電站,每年耗氘量只需304kg.據(jù)估計(jì),天然存在于海水中的氘有45億噸,把海水中的氘通過核聚變轉(zhuǎn)化為能源,按目前世界能源消耗水平,足以滿足人類未來幾十億年對(duì)能源的需求,所以對(duì)于可控核聚變的研究是必要的且迫在眉睫的.

2.可控核聚變的條件

可控核聚變的條件很苛刻

2.1 可控核聚變的大體條件

①幾千萬度以上的高溫,在這個(gè)溫度下等離子氣體中的部分原子核可能進(jìn)行聚變反應(yīng),溫度越高聚變反應(yīng)進(jìn)行得越快;

②充分的約束,即把高溫下的等離子體約束在一定區(qū)域內(nèi),保持足夠的時(shí)間,使其充分聚變;

③相當(dāng)?shù)偷拿芏?高溫下的等離子氣體具有很高的壓強(qiáng),因此要把容器內(nèi)的氣體抽到相當(dāng)真空,使單位體積內(nèi)的粒子數(shù)不能超過10的15次方個(gè),相當(dāng)于常溫下氣體密度的幾萬分之一;

④保證自持.處于高溫下的等離子體的不穩(wěn)定性,使它只能被約束一個(gè)很短的時(shí)間.為了使足夠數(shù)量的等離子氣體發(fā)生聚變反應(yīng),并能自持下去,就必須對(duì)參與反應(yīng)時(shí)的等離子氣體的密度和實(shí)現(xiàn)對(duì)它可靠的約束時(shí)間之間有一個(gè)要求,即勞遜條件.例如,實(shí)現(xiàn)氖一氖聚變反應(yīng)的條件是:等離子體溫度達(dá)2億度,同時(shí)粒子數(shù)密度達(dá)1020m-3,能量約束時(shí)間超過1s,在可能是實(shí)現(xiàn)目標(biāo).

⑤核材料也是可控核聚變的重中之重.

2.2 核材料的條件

費(fèi)米曾說過,核技術(shù)的成敗取決于材料在反應(yīng)堆中強(qiáng)輻射場(chǎng)下的行為.這句話是針對(duì)裂變堆的,但對(duì)聚變堆而言,核材料面臨的問題反而更加嚴(yán)峻.在商業(yè)化的托卡馬可聚變堆中,其第一壁材料,也就是直接面向等離子體的那層材料,需要滿足以下多種嚴(yán)苛的要求:

1.低氚滯留

最容易控制的聚變反應(yīng)為氘氚反應(yīng):

但氚(T)的半衰期短,不存在天然氚.人工制造又幾乎不可能,上億美元一千克,還是有價(jià)無市.因此,聚變堆中的氚都需要循環(huán)利用:

用倍增過的中子和鋰反應(yīng),再把氚回收,這樣氚就成了類似于催化劑的存在.

但是,目前氚的消耗/增殖比很低,(記憶中為1:1.05,可能有誤),因此必須嚴(yán)格控制耗散在各個(gè)環(huán)節(jié)的氚.其中又因第一壁直接和等離子體直接接觸,算是氚滯留大戶,需嚴(yán)格把控.否則氚越用越少,直接會(huì)導(dǎo)致等離子體熄滅停堆.

2.抗中子輻照能力

每個(gè)氘氚聚變都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)14MeV能量的中子,這些高能中子能輕易擊碎第一壁材料中的金屬鍵,產(chǎn)生大量缺陷,引起輻照腫脹、脆化、蠕變等問題,使得材料完全沒法使用.

商業(yè)聚變堆役期中第一壁中子劑量預(yù)計(jì)超過100dpa,而裂變堆的劑量在1dpa量級(jí),因此現(xiàn)有的裂變堆材料很難直接拿到聚變堆中使用.

3.抗等離子體輻照

磁約束的邊界并不是理想的,第一壁(特別是偏濾器裝甲)依然要承受高通量的氘/氚/氦等離子體沖擊.這些等離子體轟入材料內(nèi)部后會(huì)在表面聚集,引起表面起泡、脫落.一方面破壞材料的表面完整性,另一方面脫落下來的碎片進(jìn)入等離子體也會(huì)造成等離子體破滅.

4.低活化

中子轟擊下,許多元素都會(huì)發(fā)生核反應(yīng),嬗變成其他核素.有些核素是不穩(wěn)定的,會(huì)進(jìn)一步衰變持續(xù)放出輻射.這樣一來聚變反應(yīng)無輻射污染產(chǎn)物的優(yōu)勢(shì)就沒有了,因此用作第一壁的材料都是低活化材料,也就是嬗變后依然穩(wěn)定不衰變的元素.

例如,一開始人們擬用金屬鉬作為第一壁材料,后來發(fā)現(xiàn)嬗變產(chǎn)物有輻射太難處理,現(xiàn)在都在逐步換成金屬鎢.

5.耐高溫&耐熱沖擊

商業(yè)聚變堆第一壁的工作的溫度在1000℃以上,等離子體破滅的一瞬間更是能達(dá)到2000~3000℃,鋼材、銅材這樣的低熔點(diǎn)材料直接就淘汰掉了.另外,第一壁的任務(wù)是把熱能導(dǎo)出去,熔點(diǎn)高但導(dǎo)熱性不行的陶瓷材料基本上也被淘汰.目前比較有希望的候選材料金屬鎢的熔點(diǎn)為3400℃.但鎢還存在塑性較差的缺點(diǎn),在離子體破滅的熱沖擊下,熱應(yīng)力往往會(huì)使得材料表面開裂.

以上幾個(gè)條件滿足一個(gè)就已經(jīng)十分困難了,滿足所有條件的材料目前還不存在.

盡管條件如此苛刻,被認(rèn)為是人類科學(xué)技術(shù)史上遇到的最具挑戰(zhàn)性的特大科學(xué)工程,科學(xué)家們還在繼續(xù)研究,世界各國(guó)也都陸續(xù)在投入更多的人力、物力和財(cái)力.

3.可控核聚變的優(yōu)勢(shì)

可控核聚變具有一些其他能源不可比擬的優(yōu)勢(shì).

一是原料來源豐富,核聚變的原料是重水,可以直接從海水中提煉.據(jù)測(cè)算,海水中氘的質(zhì)量濃度為0.03 g/L,因此,地球上僅在海水中就有45萬億t氘.1 L海水中所含的氘經(jīng)過核聚變可提供相當(dāng)于300 L汽油燃燒后釋放出的能量.如果把海水中的氘全部用于核聚變反應(yīng),其釋放出的能量足夠人類使用幾百億年.因此可以說,海水中的氘是取之不盡、用之不竭

的能源.雖然在自然界中不存在氚,但利用反應(yīng)堆產(chǎn)生的中子轟擊氟化鋰、碳酸鋰或鋰鎂合金就可以大量生產(chǎn)氚,而海水中含有大量的鋰.

二是核聚變的過程及其產(chǎn)物均不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染,也不會(huì)造成核泄漏的危害.核聚變不同于核裂變,其反應(yīng)后產(chǎn)生的物質(zhì)是惰性氣體氦,不產(chǎn)生放射性物質(zhì),不會(huì)污染環(huán)境.三是安全可靠.只要去掉核聚變反應(yīng)條件中的任何一項(xiàng),反應(yīng)就會(huì)徹底停止,不會(huì)發(fā)生像日本福島核電站的核裂變反應(yīng)堆發(fā)生過的那種因地震而停止運(yùn)行后,核燃料還繼續(xù)發(fā)熱引起爆炸的問題.

2011年我國(guó)煤炭產(chǎn)量超過35億t,占全球煤炭產(chǎn)量份額的50%.目前,我國(guó)發(fā)電供熱用煤占全國(guó)煤炭生產(chǎn)總量的50%左右.全國(guó)大約90%的SO2排放量和80%的CO2排放量是由煤電產(chǎn)生的,因此可以說,燃煤發(fā)電廠是中國(guó)最大的污染源.如果可控核聚變技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)并達(dá)到工業(yè)應(yīng)用,不僅一舉解決了能源短缺的巨大難題,而且由于該裝置不產(chǎn)生核輻射,不產(chǎn)生核廢料,當(dāng)然也不產(chǎn)生溫室氣體,基本不污染環(huán)境,會(huì)使環(huán)境狀況大為改觀,天更藍(lán)、水更清將不再是夢(mèng)想.使用核聚變裝置取代燃煤電廠后,節(jié)省出的煤炭可用于生產(chǎn)化工產(chǎn)品.毫無疑問,那時(shí)的工業(yè)結(jié)構(gòu)也將發(fā)生翻天覆地的變化.

4.可控核聚變的研究現(xiàn)狀與前景

4.1 國(guó)際研究情況

可控核聚變有磁約束和慣性約束兩種途徑.而早在1950年代,國(guó)際磁約束核聚變研究就已經(jīng)開始了,經(jīng)壓了從最初的少數(shù)幾個(gè)核大國(guó)進(jìn)行秘密研究階段,1950年代末的技術(shù)解密,再到1960年代后世界范圍內(nèi)很多國(guó)家合作參與的研究階段.從上世紀(jì)60年代以來,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)利用磁約束實(shí)現(xiàn)可控核聚變(托卡馬克見圖2),是各種實(shí)驗(yàn)路徑中最有希望的一種.

在托卡馬克裝置中,歐姆線圈的電流變化提供產(chǎn)生、建立和維持等離子體電流所需要的伏秒數(shù)(變壓器原理);極向場(chǎng)線圈產(chǎn)生的極向磁場(chǎng)控制等離子體截面形狀和位置平衡;環(huán)向場(chǎng)線圈產(chǎn)生的環(huán)向磁場(chǎng)保證等離子體的宏觀整體穩(wěn)定性;環(huán)向磁場(chǎng)與等離子體電流產(chǎn)生的極向磁場(chǎng)一起構(gòu)成磁力線旋轉(zhuǎn)變換的和磁面結(jié)構(gòu)嵌套的磁場(chǎng)位形來約束等離子體.同時(shí),等離子體電流還對(duì)自身進(jìn)行歐姆加熱.等離子體的截面形狀可以是圓形,也可以與偏濾器(位于真空室內(nèi)部的邊緣區(qū)域,通過產(chǎn)生磁分界面將約束區(qū)與邊緣區(qū)隔離開來,具有排熱、控制雜質(zhì)和排除氦灰等功能的特殊部件)位形結(jié)合設(shè)計(jì)成D形.在托卡馬克裝置上,已可通過大功率中性束注入加熱和微波加熱使等離子體達(dá)到和超過氘一氚有效燃燒所需的溫度(>10K),最高已達(dá)4.4X10K.加大裝置尺寸,約束時(shí)間大致按尺寸的平方增大.此外,還可通過提高環(huán)向磁場(chǎng)、優(yōu)化約束位形和運(yùn)行模式來提高能量約束時(shí)間.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,托卡馬克裝置已基本滿足建立核聚變反應(yīng)堆的要求,所以1980年代之后,主要的研究均是在托克馬克裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行的.

圖2 托卡馬克裝置示意圖

受控核聚變研究的發(fā)展分為6個(gè)階段:①原理性研究階段;②規(guī)模實(shí)驗(yàn)階段;③點(diǎn)火裝置試驗(yàn)階段(氖氖燃燒實(shí)驗(yàn)):④反應(yīng)堆工程物理實(shí)驗(yàn)階段;⑤示范聚變電站階段;⑥商用聚變電站階段.國(guó)際聚變界正處在點(diǎn)火裝置即氘-氚燃燒實(shí)驗(yàn)階段,并逐步向聚變反應(yīng)堆工程物理實(shí)驗(yàn)階段過渡.

4.2 我國(guó)可控核聚變的發(fā)展?fàn)顩r

我國(guó)可控核聚變的研究也在不斷突破.

從上世紀(jì)60年代以來,利用磁約束實(shí)現(xiàn)可控核聚變(托卡馬克),是各種實(shí)驗(yàn)路徑中最有希望的一種.中國(guó)從上世紀(jì)90年代開始實(shí)施大中型托卡馬克發(fā)展計(jì)劃.十幾年前,全部用超導(dǎo)系統(tǒng)來形成磁場(chǎng)的裝置,世界上還沒有先例.中國(guó)科學(xué)家提交申請(qǐng),在1998 年得到國(guó)家項(xiàng)目,建造"實(shí)驗(yàn)的先進(jìn)的超導(dǎo)的托卡馬克",簡(jiǎn)稱EAST,設(shè)在合肥的中科院等離子體所.磁場(chǎng)的快速變化讓超導(dǎo)體容易失去超導(dǎo)性.各種極端和復(fù)雜的條件,加之要讓各種復(fù)雜儀器集合在狹小的空間里正常工作,這些都使全超導(dǎo)托卡馬克的實(shí)現(xiàn)很困難. EAST 的每一個(gè)子系統(tǒng),都需要更繁雜的系統(tǒng)來支持,而且需要各種新式的設(shè)計(jì).2006 年,EAST 實(shí)現(xiàn)了第一次"點(diǎn)火"--激發(fā)等離子態(tài)與核聚變.很快,它就實(shí)現(xiàn)了最高連續(xù)1000 秒的運(yùn)行,這在當(dāng)時(shí)是前所未有的成就.目前,EAST 等實(shí)驗(yàn)裝置仍然繼續(xù)在等離子體的參數(shù)如溫度、密度、持續(xù)放電時(shí)間上取得突破,成為國(guó)際上同類裝置優(yōu)先參考的樣板.除了EAST,近年我國(guó)先后建成HT-7中型超導(dǎo)托卡馬克,HL-2A大中型常規(guī)導(dǎo)體托卡馬克.其中,HL-2A最高電子溫度達(dá) 5500 萬攝氏度,也達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平.憑借出眾的技術(shù)成就,中國(guó)科學(xué)家正在國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃中發(fā)揮核心作用.目前,根據(jù)同 ITER 組織達(dá)成的協(xié)議,中國(guó)承擔(dān)了ITER 裝置近8%的采購(gòu)包 ,包括包層壁、線圈導(dǎo)體等 12個(gè)任務(wù),基本涵蓋了ITER 核心關(guān)鍵部件.其中一些制造任務(wù)由中科院等離子體所承擔(dān).由于具備全超導(dǎo)托卡馬克裝置的研制經(jīng)驗(yàn),他們生產(chǎn)的 ITER 超導(dǎo)導(dǎo)體、屏蔽包層等部件的性能在合作 7 方中處于領(lǐng)先地位.近年來中國(guó)對(duì)核聚變能源研發(fā)投入幾乎成指數(shù)增長(zhǎng),積極政策的導(dǎo)向使核聚變能源研發(fā)處于空前發(fā)展時(shí)期.

綜上,最近我國(guó)在可控核聚變的研究也有了新的進(jìn)展可總結(jié)為最重要的兩點(diǎn).

第一,EAST成為世界首個(gè)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模運(yùn)行持續(xù)時(shí)間達(dá)到分鐘量級(jí)的托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置.EAST大科學(xué)工程管理委員會(huì)副主任羅廣南教授說,先前的一些聚變實(shí)驗(yàn)持續(xù)了100多秒,但它們就像"騎一匹烈馬",難以控制不穩(wěn)定的等離子體.8月在EAST上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)更像是一次盛裝舞步表演,處在被極強(qiáng)電磁場(chǎng)屏蔽的一個(gè)環(huán)形室中的等離子體被控制在一種高效穩(wěn)定態(tài)H-mode(高約束模式).物理學(xué)家認(rèn)為高約束模式是未來核聚變電站的最佳工作狀態(tài).總而言之,更加"可控"了.

第二,由我國(guó)研制的熱核聚變堆核心部件在國(guó)際上率先通過認(rèn)證.這種核心部件是盛放超過1億度的聚變?nèi)剂系娜萜?按照ITER的設(shè)計(jì)方案要求,這種材料需要承受每平米4.7兆瓦的熱量,這足以在瞬間熔化一公斤的鋼鐵.中國(guó)的科研人員用三種材料組成的三明治結(jié)構(gòu),并在和多個(gè)國(guó)家的競(jìng)爭(zhēng)中率先摸索出讓三種材料緊密結(jié)合的創(chuàng)新工藝.在權(quán)威機(jī)構(gòu)進(jìn)行的試驗(yàn)中,該材料經(jīng)受住了比設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)還高20%的極端高溫環(huán)境考驗(yàn).總而言之,更加"耐熱"了.這就有可能克服慣性約束與磁約束之間的矛盾,在不燒穿爐子的情況下實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火.

5.ITER計(jì)劃

集全球之力研發(fā)可控核聚變的具體實(shí)施.

5.1 ITER概念

國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃,簡(jiǎn)稱"(ITER)計(jì)劃",(ITER:International Thermonuclear Experimental Reactor),ITER計(jì)劃倡議于1985年,并于1988年開始實(shí)驗(yàn)堆的研究設(shè)計(jì)工作.經(jīng)過十三年努力,耗資十五億美元,在集成世界聚變研究主要成果基礎(chǔ)上,ITER工程設(shè)計(jì)于2001年完成.此后經(jīng)過五年談判,ITER計(jì)劃七方(歐盟、中國(guó)、韓國(guó)、俄羅斯、日本、印度和美國(guó))2006年正式簽署聯(lián)合實(shí)施協(xié)定,啟動(dòng)實(shí)施ITER計(jì)劃.ITER計(jì)劃將歷時(shí)35年,其中建造階段10年、運(yùn)行和開發(fā)利用階段20年、去活化階段5年.

5.2 ITER的裝置及其具體細(xì)節(jié)

ITER裝置是一個(gè)能產(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應(yīng)的超導(dǎo)托克馬克.其裝置中心是高溫氘氚等離子體環(huán),其中存在15兆安的等離子體電流,核聚變反應(yīng)功率達(dá)50萬千瓦,每秒釋放多達(dá)1020個(gè)高能中子.等離子體環(huán)在屏蔽包層的環(huán)型包套中,屏蔽包層將吸收50萬千瓦熱功率及核聚變反應(yīng)所產(chǎn)生的所有中子.

將ITER建在何處,一直是一個(gè)十分棘手的政治和技術(shù)問題.參與ITER計(jì)劃的六方為此進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)兩年的艱苦談判,最后六方于2005年6月達(dá)成了將ITER建造在法國(guó)卡達(dá)拉奇的協(xié)議并同意了ITER新設(shè)計(jì)和部件預(yù)研.這六方中,除歐、日、俄三方外,中國(guó)、美國(guó)和韓國(guó)分別在2003年的1月、2月和7月加入ITER計(jì)劃的談判.隨后,印度也于2005年底加入ITER計(jì)劃.ITER計(jì)劃的七方于2006年6月在布魯塞爾簽署了合作建造ITER的政府間協(xié)議,根據(jù)ITER計(jì)劃的最新進(jìn)展,預(yù)計(jì)將在2016年前建成并投入實(shí)驗(yàn).由國(guó)際上主要核國(guó)家的聚變界歷時(shí)十多年,耗資近15億美元啟動(dòng)的ITER項(xiàng)目,將集成當(dāng)今國(guó)際受控磁約束核聚變研究的主要科學(xué)和技術(shù)成果,第一次在地球上實(shí)現(xiàn)能與未來實(shí)用聚變堆規(guī)模相比擬的受控?zé)岷司圩儗?shí)驗(yàn)堆,解決通向聚變電站的關(guān)鍵問題.ITER計(jì)劃的成功實(shí)施,將全面驗(yàn)證聚變能源開發(fā)利用的科學(xué)可行性和工程可行性,是人類受控?zé)岷司圩冄芯孔呦驅(qū)嵱玫年P(guān)鍵一步.需要指出的是, ITER計(jì)劃的七方在參與該工作的同時(shí),都有各國(guó)獨(dú)立的核聚變研究計(jì)劃,力爭(zhēng)在國(guó)際核聚變開發(fā)研究中占有一定的位置.

5.3 ITER的各項(xiàng)目標(biāo)

近40年的世界性研究和探索使托卡馬克途徑的熱核聚變研究已基本趨于成熟,但是,在達(dá)到商用目標(biāo)之前,基于托卡馬克的聚變能研究和開發(fā)計(jì)劃還有一些科學(xué)和技術(shù)問題需要進(jìn)一步探索.為此,確定了ITER的科學(xué)目標(biāo):

①通過感應(yīng)驅(qū)動(dòng)獲得聚變功率50萬kW、Q大于10、脈沖時(shí)間500s的燃燒等離子體;

②使用非感應(yīng)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生聚變功率大于35萬kW、Q大于5、燃燒時(shí)間持續(xù)3 000s的等離子體,研究等離子體的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行.

ITER做為人類歷史上的第一座實(shí)驗(yàn)聚變堆,將為未來發(fā)展示范聚變堆DEMO和商用聚變堆進(jìn)行關(guān)鍵的工程技術(shù)實(shí)驗(yàn),其主要工程技術(shù)目標(biāo)是:

①演示主要聚變技術(shù)的可用性和集成性;

②為將來的聚變堆試驗(yàn)部件;

③試驗(yàn)氚增殖模塊概念.

ITER目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)將為研究和發(fā)展用于示范聚變堆、商用聚變堆的各種技術(shù)奠定可靠的科學(xué)和技術(shù)基礎(chǔ).經(jīng)過ITER六方專家的技術(shù)評(píng)估和論證,認(rèn)為上述科學(xué)與工程技術(shù)目標(biāo)是完全能夠?qū)崿F(xiàn)的.ITER計(jì)劃采納了40年來全世界核聚變研究的豐碩成果,預(yù)計(jì)總耗資為100億美元,設(shè)計(jì)的聚變功率50萬kW,等離子體持續(xù)時(shí)間大于500s.ITER對(duì)聚變研究具有重大的作用,它將綜合演示聚變堆的工程可行性、進(jìn)行長(zhǎng)脈沖或穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的高參數(shù)等離子體物理實(shí)驗(yàn).各國(guó)科學(xué)家寄希望于這座核聚變堆在受控核聚變攻關(guān)中實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍,證實(shí)受控核聚變能的開發(fā)在技術(shù)上和工程上的現(xiàn)實(shí)性.如果實(shí)驗(yàn)堆ITER如期建成,則一座電功率為百萬kW級(jí)的示范核聚變電站可望在2025年前后建成,可望在2050年左右實(shí)現(xiàn)聚變電站的商用化.

ITER目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)包括完成實(shí)驗(yàn)包層模塊計(jì)劃.ITER包層分為屏蔽包層和實(shí)驗(yàn)包層兩種.其中屏蔽包層主要用于裝置的輻射防護(hù),在已經(jīng)完成的ITER-FEAT設(shè)計(jì)中有較完善的包層設(shè)計(jì)和技術(shù)研發(fā).而實(shí)驗(yàn)包層(Test Blanket Module, TBM),主要用于對(duì)未來商用示范聚變堆(DEMO)產(chǎn)氚和能量獲取技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),同時(shí)用于對(duì)設(shè)計(jì)工具、程序、數(shù)據(jù)等的驗(yàn)證和一定程度上對(duì)聚變堆材料進(jìn)行綜合測(cè)試.實(shí)驗(yàn)包層由各參與方提出自己的模塊設(shè)計(jì)、技術(shù)研發(fā)與實(shí)驗(yàn)方案.在ITER裝置上設(shè)置了3個(gè)用于產(chǎn)氚實(shí)驗(yàn)包層的窗口.早期的ITER TBM被稱為產(chǎn)氚實(shí)驗(yàn)包層模塊,只在ITER的D-T運(yùn)行階段投入實(shí)驗(yàn).后來改稱為實(shí)驗(yàn)包層模塊,期望在ITER運(yùn)行的第一天投入實(shí)驗(yàn).在ITER的不同運(yùn)行階段(H-H、D-D、D-T)安放不同的實(shí)驗(yàn)包層模塊,依次進(jìn)行電磁、熱工水力、氚增殖和整體性能的實(shí)驗(yàn).根據(jù)國(guó)家聚變能源發(fā)展戰(zhàn)略,中國(guó)ITER計(jì)劃有關(guān)方面已經(jīng)確定"將全面參與產(chǎn)氚實(shí)驗(yàn)包層模塊計(jì)劃,將在ITER裝置上獨(dú)立發(fā)展陶瓷氚增殖劑和液態(tài)鋰鉛增殖劑兩種概念的產(chǎn)氚實(shí)驗(yàn)包層模塊,并要求與其它國(guó)家平等分享實(shí)驗(yàn)窗口位置,參加ITER運(yùn)行第一天起的TBM實(shí)驗(yàn),并承諾按時(shí)向TBWG提交設(shè)計(jì)描述報(bào)告(DDD)".目前,由核工業(yè)西南物理研究院和中科院等離子體所牽頭,分別進(jìn)行固態(tài)和液態(tài)ITER-TBM的設(shè)計(jì)與前期技術(shù)研發(fā)工作,為在我國(guó)發(fā)展聚變示范堆DEMO奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ).

總而言之,經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)各國(guó)科學(xué)家的共同努力,聚變研究已從科學(xué)實(shí)驗(yàn)階段進(jìn)入了發(fā)展實(shí)用的聚變能源階段.回顧核聚變研究的歷史,可以看到磁約束核聚變研究經(jīng)國(guó)際上的密切合作與交流,在近20~30年間得到快速的發(fā)展,取得了巨大成就.開發(fā)聚變能的科學(xué)可行性已在托卡馬克類型的磁約束聚變裝置上得到證實(shí),并取得了突破性進(jìn)展.我國(guó)磁約束核聚變研究基本上與國(guó)際聚變研究同步發(fā)展,對(duì)國(guó)際上聚變研究做出了貢獻(xiàn).國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER的設(shè)計(jì)與建造,已經(jīng)可以使人類看到光明的前景,但是實(shí)現(xiàn)聚變能的實(shí)際應(yīng)用,仍是一個(gè)持久而不平坦的歷程.這是因?yàn)槌艘鉀Q工程技術(shù)上的問題以外, 還要在能源市場(chǎng)上具有競(jìng)爭(zhēng)力,還需要一段相當(dāng)長(zhǎng)的發(fā)展時(shí)間.全面參與ITER計(jì)劃,為我國(guó)的核聚變研究實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展,為趕上國(guó)際先進(jìn)水平提供了歷史機(jī)遇,我國(guó)應(yīng)不失時(shí)機(jī)地對(duì)聚變能的開發(fā)做出長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略性安排.

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