中國實(shí)際應(yīng)用“人造太陽”不是夢(mèng)

趙覺珵 張卉

怎么造出“人造太陽”

環(huán)球時(shí)報(bào)：在“人造太陽”（磁約束核聚變）領(lǐng)域，世界各主要國家都在同臺(tái)競(jìng)技，請(qǐng)問建成于2006年的中國“人造太陽”EAST在研發(fā)路線和技術(shù)方向上有何特點(diǎn)？

胡建生：聚變研究是非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，無論是從關(guān)鍵物理問題，還是工程技術(shù)，都極具挑戰(zhàn)。世界上主要的聚變研究機(jī)構(gòu)大多有自己的聚變裝置，我們建造并正在運(yùn)行的“人造小太陽”，也就是全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）,它是世界上首個(gè)非圓截面全超導(dǎo)托卡馬克裝置。

與國際上大多數(shù)采用常規(guī)磁體的短脈沖運(yùn)行裝置相比，EAST裝置的研究方向主要瞄準(zhǔn)高參數(shù)長(zhǎng)脈沖等離子體運(yùn)行，探究高性能等離子體、先進(jìn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模式等高溫等離子體穩(wěn)定運(yùn)行中的一些關(guān)鍵物理問題和工程技術(shù)問題。目前，EAST具備與國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）（全球最大的實(shí)驗(yàn)性托卡馬克核聚變反應(yīng)堆裝置，已于2020年開始組裝，包括中國在內(nèi)七方30多個(gè)國家參與其中——編者注）最為相近的工程技術(shù)條件，包括超導(dǎo)穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)和高功率長(zhǎng)時(shí)間加熱能力，與EAST位形相似的可以承受高熱負(fù)荷沖擊的鴇銅偏濾器系統(tǒng)，以及靈活的等離子體控制能力，可以開展低動(dòng)量、電子加熱為主的長(zhǎng)脈沖等離子體物理實(shí)驗(yàn)。

環(huán)球時(shí)報(bào)：目前EAST取得哪些成果？整體研究水平處于國際什么水平？

胡建生：EAST自建成運(yùn)行以來，取得一系列重要成果。去年5月，EAST實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的1.2億攝氏度101秒等離子體運(yùn)行和1.6億攝氏度20秒等離子體運(yùn)行，創(chuàng)造托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行新的世界紀(jì)錄。去年年底，EAST在注入能量達(dá)到1.73吉焦的條件下，實(shí)現(xiàn)1056秒的長(zhǎng)脈沖高參數(shù)等離子體運(yùn)行，其間電子溫度近7000萬攝氏度。這是目前世界上托卡馬克裝置高溫等離子體運(yùn)行的最長(zhǎng)時(shí)間紀(jì)錄。

這些表明EAST裝置成功驗(yàn)證了全金屬主動(dòng)水冷第一壁、高性能鴇偏濾器、穩(wěn)態(tài)高功率波加熱、等離子體位形精密控制等一系列未來聚變堆關(guān)鍵技術(shù)和方法，闡明了長(zhǎng)脈沖高參數(shù)運(yùn)行的基本要求和關(guān)鍵物理過程，在穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)脈沖等離子體運(yùn)行方面處于國際領(lǐng)先地位,為ITER及未來聚變堆發(fā)展提供了強(qiáng)有力的工程技術(shù)和科學(xué)理論支持。

環(huán)球時(shí)報(bào)：近日，“人造太陽”開啟新一搶實(shí)驗(yàn)。請(qǐng)介紹一下此輪實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)和進(jìn)展。

胡建生：目前，EAST剛剛開始最新一輪實(shí)驗(yàn)，處于調(diào)試階段，并初步建立了等離子體。本輪實(shí)驗(yàn)，主線目標(biāo)是率先實(shí)現(xiàn)400秒量級(jí)的高約束等離子體(ITER運(yùn)行目標(biāo)之一），弄且開展高功率加熱的百秒量級(jí)等離子體實(shí)驗(yàn)。這些目標(biāo)是在前期長(zhǎng)脈沖等離子體實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高加熱功率和等離子體約束性能，拓展等離子體參數(shù)區(qū)間，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)等離子體運(yùn)行新突破，為實(shí)現(xiàn)EAST歸一化參數(shù)水平的長(zhǎng)脈沖等離子體運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，我們已在全球范圍內(nèi)征集EAST實(shí)驗(yàn)提案，強(qiáng)化國內(nèi)外合作，探索先進(jìn)運(yùn)行模式，深度研究等離子體關(guān)鍵物理，為ITER及未來聚變堆建設(shè)運(yùn)行提供關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)驗(yàn)證▲

開放共享的國際實(shí)驗(yàn)標(biāo)桿

環(huán)球時(shí)報(bào)：基于EAST開展的國際合作越來越多，等離子體物理研究所也成立了國際聚變能聯(lián)合研究中心，能否介紹一下這方面的情況？

胡建生：EAST已成為中外等離子體物理與聚變科學(xué)家最重要的研究平臺(tái)之一，引領(lǐng)磁約束聚變前沿研究，為牽頭發(fā)起國際大科學(xué)計(jì)劃奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。參與EAST實(shí)驗(yàn)提案的合作者有來自歐美日韓等發(fā)達(dá)國家，也有發(fā)展中國家的專家。目前，美國能源部仍將EAST列為未來美國磁約束聚變合作的首選裝置。近年來，EAST國際實(shí)驗(yàn)提案占總提案數(shù)的46%,EAST已經(jīng)成為全球開放共享的國際實(shí)驗(yàn)標(biāo)桿裝置。中科院合肥研究院等離子體物理研究所還與歐美日韓俄等建立政府間聚變框架協(xié)議,與超過120個(gè)國際研究機(jī)構(gòu)和組織建立穩(wěn)定合作關(guān)系，與國際聚變界最主要的聚變研究單位簽署正式合作協(xié)議39份,成立了22個(gè)不同的工作組。

2017年基于中法聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的合作成果，還成立了“中法聚變聯(lián)合研究中心”（SIFFER）。2017年，我們主導(dǎo)國際聚變專家聯(lián)合發(fā)表《北京聚變宣言》，參與簽署的40多個(gè)國夕V科研機(jī)構(gòu)表示支持并共同參與中國聚變堆的設(shè)計(jì)與建設(shè)。2018年底，我們發(fā)起成立了國際聚變能聯(lián)合研究中心，得到國際聚變界大力支持，也為我們下一步開展磁約束聚變國際大科學(xué)工程建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

環(huán)球時(shí)報(bào)：我國于2006年正式簽約加入ITER計(jì)劃，中國科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)在其中扮演著何種角色？

胡建生：聚變能研究以解決人類能源問題為最終目標(biāo)，是國際科研合作參與度最高的科研領(lǐng)域。通過建設(shè)運(yùn)行EAST裝置和深度參加ITER計(jì)劃等，我們現(xiàn)已建立最廣泛的共享互惠國際合作網(wǎng)絡(luò)?！笆濉逼陂g，我們通過參與國際竟標(biāo)類項(xiàng)目，成功獲取大量國際經(jīng)費(fèi)。以ITER項(xiàng)目為代表，承擔(dān)了ITER采購包國內(nèi)計(jì)劃70%的任務(wù)，通過國際競(jìng)標(biāo)成功中標(biāo)ITER PF6和ITER TACT總裝項(xiàng)目，成功進(jìn)入歐洲核能工程建造市場(chǎng)。參與ITER項(xiàng)目的過程中，先后派遣100多人長(zhǎng)期堅(jiān)守在法國ITER現(xiàn)場(chǎng)，參與領(lǐng)域基本覆蓋了ITER主機(jī)的所有核心內(nèi)容。20余位科研人員先后在ITER國際組織所屬的國際評(píng)估組、專家組和工作組中擔(dān)任重要職務(wù)。▲

距離實(shí)際應(yīng)用還有多遠(yuǎn)

環(huán)球時(shí)報(bào)：“人造太陽”何時(shí)能夠真正持續(xù)地提供清潔能源“能否介紹下我國在這方面的路線圖？

胡建生：我們?cè)谶@一塊還是分兩個(gè)路徑去走：一個(gè)是仍然要在科學(xué)理論上，解決一些關(guān)鍵物理問題；另一個(gè)是工程技術(shù)問題。目前，作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的EAST，仍然會(huì)開展物理實(shí)驗(yàn)，也包括國際聯(lián)合的物理實(shí)驗(yàn)，來研究先進(jìn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模式。同時(shí)，正在建設(shè)聚變堆主機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)綜合研究設(shè)施CRAFT，計(jì)劃于2025年完工。

基于EAST和CRAFT的研究與工程基礎(chǔ)，我們正在謀劃建造一個(gè)緊湊型聚變能實(shí)驗(yàn)堆，實(shí)現(xiàn)燃燒等離子體，產(chǎn)出聚變能，并研究燃燒等離子體關(guān)鍵物理問題，為未來聚變堆建設(shè)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。再下一步，我們希望盡快啟動(dòng)建造CFETR（中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆），將研究走向?qū)嵱没?，以?shí)現(xiàn)聚變能源為目標(biāo)，直接瞄準(zhǔn)未來聚變能的開發(fā)和應(yīng)用。同時(shí)，我們也會(huì)以多種形式深度參與ITER項(xiàng)目總裝、調(diào)試與運(yùn)行，進(jìn)一步提升科學(xué)技術(shù)實(shí)力，培養(yǎng)我們聚變?nèi)瞬拧?/p>

總體來看，我國經(jīng)過這么多年發(fā)展，聚變能科學(xué)可行性已經(jīng)被證實(shí)，完成了80%以上的關(guān)鍵技術(shù)積累?？梢栽趪液蜕鐣?huì)的大力支持下，快速推動(dòng)中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆建設(shè)與運(yùn)行，有望未來30-50年實(shí)現(xiàn)聚變能實(shí)際應(yīng)用。

環(huán)球時(shí)報(bào)：目前，“人造太陽”的研究哪些關(guān)鍵技術(shù)瓶頸有待突破？

胡建生：“人造太陽”的最終研究目標(biāo)是為人類提供清潔能源。針對(duì)這一遠(yuǎn)期目標(biāo)，需要從物理研究、工程技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性等方面共同發(fā)力，取得全面進(jìn)展，最終使聚變能成為可靠的能源。物理研究方面，主要需解決的問題是燃燒等離子體的實(shí)現(xiàn)及其穩(wěn)定自持。工程技術(shù)方面，最關(guān)鍵的領(lǐng)域有高溫超導(dǎo)磁體技術(shù)、氤循環(huán)利用、反應(yīng)堆材料研發(fā)、聚變核安全等。經(jīng)濟(jì)性方面，需重點(diǎn)解決能量轉(zhuǎn)換、電網(wǎng)技術(shù)等。

環(huán)球時(shí)報(bào)：“人造太陽”意味著一個(gè)永續(xù)的清潔能源，這對(duì)于中國以綠色、低碳能源為主導(dǎo)的新型消費(fèi)能源體系有何意義？一些早期成果是否已開展轉(zhuǎn)化？

胡建生：世界主要國家均積極投入聚變能開發(fā)與應(yīng)用研究，這也是我國能源發(fā)展的長(zhǎng)期戰(zhàn)略目標(biāo)。一旦成功實(shí)現(xiàn)聚變能，可以為國家和人類提供永續(xù)的清潔能源，可以完全替代化石能源，對(duì)于中國建設(shè)以綠色、低碳能源為主導(dǎo)的新型消費(fèi)能源體系、履行“雙碳”承諾有著極為重要的意義。在聚變能研究過程中，涉及的關(guān)鍵技術(shù)，包括等離子體、真空、低溫、電源、超導(dǎo)磁體等技術(shù)已經(jīng)轉(zhuǎn)化應(yīng)用。未來將進(jìn)一拒加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)推廣，在超導(dǎo)磁體、渦流制初、濾波器、絕緣部件、低溫裝備、太赫茲檢測(cè)、微波裝備、特種焊接、特種檢測(cè)等方面實(shí)現(xiàn)突破，為國民經(jīng)濟(jì)服務(wù)?！?/p>