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

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.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)物均不會對環(huán)境造成污染,也不會造成核泄漏的危害.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,反應(yīng)就會徹底停止,不會發(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的能源的主要希望所在.

中國傳統(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)幾個北方省份,而中國經(jīng)濟發(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.為此中國新建多條運煤的鐵路,比如:大秦鐵路等,但遠不能滿足運力的需要.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)能減排是大勢所趨,各國都有節(jié)能減排承諾.多年來,中國在能源消費特別有害氣體排放和溫室氣體排放等方面飽受國際社會詬病,中國已經(jīng)在哥本哈根氣候會議上承諾,到2020年單位GDP二氧化碳強度減少40%到45%,這還是一個保守的能拿到國際層面上的數(shù)字,國內(nèi)的努力目標可能會更多,要求更加嚴格.是實現(xiàn)這個目標,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"的報道,文章闡述近些年國內(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、太陽能、風(fēng)電、生物能源等.太陽能受地區(qū)限制,很多地方年平均太陽日不足,無法開發(fā),且現(xiàn)在太陽能技術(shù)還不成熟,發(fā)電規(guī)模小,占地面積大等絕點,另外,最為重要的是太陽能發(fā)電成本高,上網(wǎng)電價高達2-3元,如果沒有政府補貼,太陽能發(fā)電基本不可能,如果把成本轉(zhuǎn)嫁到消費者頭上,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.生物能源等目前還停留在技術(shù)研究和實驗階段,無法投入使用.

所以說,發(fā)展核電是符合現(xiàn)在中國的國家發(fā)展戰(zhàn)略的,因為核電是一種"安全可靠、高效、經(jīng)濟、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)模實現(xiàn)溫室氣體減排的措施,是21世紀人類通向可持續(xù)發(fā)展的橋梁;因此發(fā)展核電,是我國能源發(fā)展的戰(zhàn)略性選擇,是我國能源安全供應(yīng)的重要保障.加快核電發(fā)展和核電制造技術(shù)國產(chǎn)化,也是我國機械制造行業(yè)技術(shù)水平和綜合制造能力提高的標志,因此,也是提高我國綜合國力提高競爭力的重要方面.

1.可控核聚變的定義

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

1.1 核聚變的定義

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

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 核聚變原理示意圖

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,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能源的需求,所以對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,在這個溫度下等離子氣體中的部分原子核可能進行聚變反應(yīng),溫度越高聚變反應(yīng)進行得越快;

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,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,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很短的時間.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,就必須對參與反應(yīng)時的等離子氣體的密度和實現(xiàn)對它可靠的約束時間之間有一個要求,即勞遜條件.例如,實現(xiàn)氖一氖聚變反應(yīng)的條件是:等離子體溫度達2億度,同時粒子數(shù)密度達1020m-3,能量約束時間超過1s,在可能是實現(xiàn)目標.

⑤核材料也是可控核聚變的重中之重.

2.2 核材料的條件

費米曾說過,核技術(shù)的成敗取決于材料在反應(yīng)堆中強輻射場下的行為.這句話是針對裂變堆的,但對聚變堆而言,核材料面臨的問題反而更加嚴峻.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),因此必須嚴格控制耗散在各個環(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,需嚴格把控.否則氚越用越少,直接會導(dǎo)致等離子體熄滅停堆.

2.抗中子輻照能力

每個氘氚聚變都會產(chǎn)生一個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)計超過100dpa,而裂變堆的劑量在1dpa量級,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入等離子體也會造成等離子體破滅.

4.低活化

中子轟擊下,許多元素都會發(fā)生核反應(yīng),嬗變成其他核素.有些核素是不穩(wěn)定的,會進一步衰變持續(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到2000~3000℃,鋼材、銅材這樣的低熔點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為3400℃.但鎢還存在塑性較差的缺點,在離子體破滅的熱沖擊下,熱應(yīng)力往往會使得材料表面開裂.

以上幾個條件滿足一個就已經(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,世界各國也都陸續(xù)在投入更多的人力、物力和財力.

3.可控核聚變的優(yōu)勢

可控核聚變具有一些其他能源不可比擬的優(yōu)勢.

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)物均不會對環(huán)境造成污染,也不會造成核泄漏的危害.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,反應(yīng)就會徹底停止,不會發(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行后,核燃料還繼續(xù)發(fā)熱引起爆炸的問題.

2011年我國煤炭產(chǎn)量超過35億t,占全球煤炭產(chǎn)量份額的50%.目前,我國發(fā)電供熱用煤占全國煤炭生產(chǎn)總量的50%左右.全國大約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)電廠是中國最大的污染源.如果可控核聚變技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)并達到工業(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,會使環(huán)境狀況大為改觀,天更藍、水更清將不再是夢想.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)幾個核大國進行秘密研究階段,1950年代末的技術(shù)解密,再到1960年代后世界范圍內(nèi)很多國家合作參與的研究階段.從上世紀60年代以來,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)利用磁約束實現(xiàn)可控核聚變(托卡馬克見圖2),是各種實驗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);極向場線圈產(chǎn)生的極向磁場控制等離子體截面形狀和位置平衡;環(huán)向場線圈產(chǎn)生的環(huán)向磁場保證等離子體的宏觀整體穩(wěn)定性;環(huán)向磁場與等離子體電流產(chǎn)生的極向磁場一起構(gòu)成磁力線旋轉(zhuǎn)變換的和磁面結(jié)構(gòu)嵌套的磁場位形來約束等離子體.同時,等離子體電流還對自身進行歐姆加熱.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到和超過氘一氚有效燃燒所需的溫度(>10K),最高已達4.4X10K.加大裝置尺寸,約束時間大致按尺寸的平方增大.此外,還可通過提高環(huán)向磁場、優(yōu)化約束位形和運行模式來提高能量約束時間.實驗結(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個階段:①原理性研究階段;②規(guī)模實驗階段;③點火裝置試驗階段(氖氖燃燒實驗):④反應(yīng)堆工程物理實驗階段;⑤示范聚變電站階段;⑥商用聚變電站階段.國際聚變界正處在點火裝置即氘-氚燃燒實驗階段,并逐步向聚變反應(yīng)堆工程物理實驗階段過渡.

4.2 我國可控核聚變的發(fā)展狀況

我國可控核聚變的研究也在不斷突破.

從上世紀60年代以來,利用磁約束實現(xiàn)可控核聚變(托卡馬克),是各種實驗路徑中最有希望的一種.中國從上世紀90年代開始實施大中型托卡馬克發(fā)展計劃.十幾年前,全部用超導(dǎo)系統(tǒng)來形成磁場的裝置,世界上還沒有先例.中國科學(xué)家提交申請,在1998 年得到國家項目,建造"實驗的先進的超導(dǎo)的托卡馬克",簡稱EAST,設(shè)在合肥的中科院等離子體所.磁場的快速變化讓超導(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)托卡馬克的實現(xiàn)很困難. EAST 的每一個子系統(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.2006 年,EAST 實現(xiàn)了第一次"點火"--激發(fā)等離子態(tài)與核聚變.很快,它就實現(xiàn)了最高連續(xù)1000 秒的運行,這在當(dāng)時是前所未有的成就.目前,EAST 等實驗裝置仍然繼續(xù)在等離子體的參數(shù)如溫度、密度、持續(xù)放電時間上取得突破,成為國際上同類裝置優(yōu)先參考的樣板.除了EAST,近年我國先后建成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 5500 萬攝氏度,也達到國際先進水平.憑借出眾的技術(shù)成就,中國科學(xué)家正在國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃中發(fā)揮核心作用.目前,根據(jù)同 ITER 組織達成的協(xié)議,中國承擔(dān)了ITER 裝置近8%的采購包 ,包括包層壁、線圈導(dǎo)體等 12個任務(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,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.近年來中國對核聚變能源研發(fā)投入幾乎成指數(shù)增長,積極政策的導(dǎo)向使核聚變能源研發(fā)處于空前發(fā)展時期.

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

第一,EAST成為世界首個實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模運行持續(xù)時間達到分鐘量級的托卡馬克核聚變實驗裝置.EAST大科學(xué)工程管理委員會副主任羅廣南教授說,先前的一些聚變實驗持續(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上進行的實驗更像是一次盛裝舞步表演,處在被極強電磁場屏蔽的一個環(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,由我國研制的熱核聚變堆核心部件在國際上率先通過認證.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),并在和多個國家的競爭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)威機構(gòu)進行的試驗中,該材料經(jīng)受住了比設(shè)計標準還高20%的極端高溫環(huán)境考驗.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現(xiàn)點火.

5.ITER計劃

集全球之力研發(fā)可控核聚變的具體實施.

5.1 ITER概念

國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃,簡稱"(ITER)計劃",(ITER:International Thermonuclear Experimental Reactor),ITER計劃倡議于1985年,并于1988年開始實驗堆的研究設(shè)計工作.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)計于2001年完成.此后經(jīng)過五年談判,ITER計劃七方(歐盟、中國、韓國、俄羅斯、日本、印度和美國)2006年正式簽署聯(lián)合實施協(xié)定,啟動實施ITER計劃.ITER計劃將歷時35年,其中建造階段10年、運行和開發(fā)利用階段20年、去活化階段5年.

5.2 ITER的裝置及其具體細節(jié)

ITER裝置是一個能產(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50萬千瓦,每秒釋放多達1020個高能中子.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,一直是一個十分棘手的政治和技術(shù)問題.參與ITER計劃的六方為此進行了長達兩年的艱苦談判,最后六方于2005年6月達成了將ITER建造在法國卡達拉奇的協(xié)議并同意了ITER新設(shè)計和部件預(yù)研.這六方中,除歐、日、俄三方外,中國、美國和韓國分別在2003年的1月、2月和7月加入ITER計劃的談判.隨后,印度也于2005年底加入ITER計劃.ITER計劃的七方于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計劃的最新進展,預(yù)計將在2016年前建成并投入實驗.由國際上主要核國家的聚變界歷時十多年,耗資近15億美元啟動的ITER項目,將集成當(dāng)今國際受控磁約束核聚變研究的主要科學(xué)和技術(shù)成果,第一次在地球上實現(xiàn)能與未來實用聚變堆規(guī)模相比擬的受控?zé)岷司圩儗嶒灦?解決通向聚變電站的關(guān)鍵問題.ITER計劃的成功實施,將全面驗證聚變能源開發(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計劃的七方在參與該工作的同時,都有各國獨立的核聚變研究計劃,力爭在國際核聚變開發(fā)研究中占有一定的位置.

5.3 ITER的各項目標

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,在達到商用目標之前,基于托卡馬克的聚變能研究和開發(fā)計劃還有一些科學(xué)和技術(shù)問題需要進一步探索.為此,確定了ITER的科學(xué)目標:

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

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

ITER做為人類歷史上的第一座實驗聚變堆,將為未來發(fā)展示范聚變堆DEMO和商用聚變堆進行關(guān)鍵的工程技術(shù)實驗,其主要工程技術(shù)目標是:

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部件;

③試驗氚增殖模塊概念.

ITER目標的實現(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)評估和論證,認為上述科學(xué)與工程技術(shù)目標是完全能夠?qū)崿F(xiàn)的.ITER計劃采納了40年來全世界核聚變研究的豐碩成果,預(yù)計總耗資為100億美元,設(shè)計的聚變功率50萬kW,等離子體持續(xù)時間大于500s.ITER對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、進行長脈沖或穩(wěn)態(tài)運行的高參數(shù)等離子體物理實驗.各國科學(xué)家寄希望于這座核聚變堆在受控核聚變攻關(guān)中實現(xiàn)質(zhì)的飛躍,證實受控核聚變能的開發(fā)在技術(shù)上和工程上的現(xiàn)實性.如果實驗堆ITER如期建成,則一座電功率為百萬kW級的示范核聚變電站可望在2025年前后建成,可望在2050年左右實現(xiàn)聚變電站的商用化.

ITER目標的實現(xiàn)包括完成實驗包層模塊計劃.ITER包層分為屏蔽包層和實驗包層兩種.其中屏蔽包層主要用于裝置的輻射防護,在已經(jīng)完成的ITER-FEAT設(shè)計中有較完善的包層設(shè)計和技術(shù)研發(fā).而實驗包層(Test Blanket Module, TBM),主要用于對未來商用示范聚變堆(DEMO)產(chǎn)氚和能量獲取技術(shù)進行實驗,同時用于對設(shè)計工具、程序、數(shù)據(jù)等的驗證和一定程度上對聚變堆材料進行綜合測試.實驗包層由各參與方提出自己的模塊設(shè)計、技術(shù)研發(fā)與實驗方案.在ITER裝置上設(shè)置了3個用于產(chǎn)氚實驗包層的窗口.早期的ITER TBM被稱為產(chǎn)氚實驗包層模塊,只在ITER的D-T運行階段投入實驗.后來改稱為實驗包層模塊,期望在ITER運行的第一天投入實驗.在ITER的不同運行階段(H-H、D-D、D-T)安放不同的實驗包層模塊,依次進行電磁、熱工水力、氚增殖和整體性能的實驗.根據(jù)國家聚變能源發(fā)展戰(zhàn)略,中國ITER計劃有關(guān)方面已經(jīng)確定"將全面參與產(chǎn)氚實驗包層模塊計劃,將在ITER裝置上獨立發(fā)展陶瓷氚增殖劑和液態(tài)鋰鉛增殖劑兩種概念的產(chǎn)氚實驗包層模塊,并要求與其它國家平等分享實驗窗口位置,參加ITER運行第一天起的TBM實驗,并承諾按時向TBWG提交設(shè)計描述報告(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,分別進行固態(tài)和液態(tài)ITER-TBM的設(shè)計與前期技術(shù)研發(fā)工作,為在我國發(fā)展聚變示范堆DEMO奠定堅實的技術(shù)基礎(chǔ).

總而言之,經(jīng)過半個世紀各國科學(xué)家的共同努力,聚變研究已從科學(xué)實驗階段進入了發(fā)展實用的聚變能源階段.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,并取得了突破性進展.我國磁約束核聚變研究基本上與國際聚變研究同步發(fā)展,對國際上聚變研究做出了貢獻.國際熱核聚變實驗堆ITER的設(shè)計與建造,已經(jīng)可以使人類看到光明的前景,但是實現(xiàn)聚變能的實際應(yīng)用,仍是一個持久而不平坦的歷程.這是因為除了要解決工程技術(shù)上的問題以外, 還要在能源市場上具有競爭力,還需要一段相當(dāng)長的發(fā)展時間.全面參與ITER計劃,為我國的核聚變研究實現(xiàn)跨越式發(fā)展,為趕上國際先進水平提供了歷史機遇,我國應(yīng)不失時機地對聚變能的開發(fā)做出長遠的戰(zhàn)略性安排.

[1]馮開明.可控核聚變與ITER計劃[J].現(xiàn)代電力,第23卷第5期.2006.10.

[2]等離子體物理學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略研究課題組.核聚變與低溫等離子體[M].北京:科學(xué)出版社,2004.

[3]趙維平.可控核聚變技術(shù)-未來能源的希望[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟,第22卷第23期.2012.9.8.

[4]《大眾用電》第四頁.2014.2.

[5]高博.可控核聚變裝置,中國領(lǐng)先世界[N].科技日報,2012.6.11.第001版.

[6]馮開明.可控核聚變與國際熱核實驗堆(ITER)計劃[J].核電研發(fā),2009.9.第二卷第3期.

[7]楊麗娟.大連理工可控核聚變研究獲重大進展.

[8]陳永靜.核聚變將最終成為未來的能源嗎.

[9]奇云.可控核聚變_人類的終極能源.

[10]蘇寧.未來能源5大猜想可控核聚變將成終極能源.

[11]吳晶.中國超導(dǎo)托卡馬克裝置可控?zé)岷司圩冄芯吭佾@突破.

[12]李波.可控核聚變實驗獲突破_人造太陽 概念升溫.