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國內核新聞
核聚變,作為未來能源的挑戰(zhàn)與應對
中核集團首席科學家 劉永
時間:2024年09月12日 來源:《中國核工業(yè)》雜志 2024年第7期 點擊量: 分享:

當前, 能源安全、環(huán)境和氣候變化等問題成為21世紀面臨的最嚴峻挑戰(zhàn)。因此,像核聚變能這樣的新能源研發(fā)一直為公眾和行業(yè)所關注。但是,熱潮之下也不乏隱憂。

據(jù)全球聚變工業(yè)協(xié)會FIA統(tǒng)計,截至2023年12月,全球共有43家私人核聚變公司,這些私營企業(yè)投資力度逐年增大,2022年投資總額較以往全部總額增加一倍,前后獲得投資總額超過62億美元。但我們作為從業(yè)者,一方面心里要有數(shù),全球核聚變研究距離實現(xiàn)發(fā)電尚有距離,另一方面,更要有定力,路雖遠,行則將至。

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01.核聚變研究發(fā)展的主要趨勢

國際磁約束受控核聚變研究始于上世紀50年代,在研究進程中,先后探索了箍縮、磁鏡、仿星器、托卡馬克等眾多途徑,目標都圍繞如何提高等離子體的關鍵參數(shù),最終滿足受控核聚變反應的條件。從上世紀70年代開始,托卡馬克途徑逐漸顯示出獨特優(yōu)勢,成為磁約束核聚變研究的主流途徑。國際上自托卡馬克開展實驗以來,等離子體綜合參數(shù)不斷提升,聚變工程技術也有了長足的進步,但距離實現(xiàn)應用,諸多關鍵技術仍存在很大挑戰(zhàn)。

為了驗證聚變的技術可行性, 需要建造一個具有聚變電站所需大多數(shù)技術特征的更大規(guī)模的托卡馬克裝置, 來試驗和演示聚變電站的關鍵技術, 并探索燃燒等離子體的新物理問題。為實現(xiàn)這一目標, 國際聚變界一致認為通過國際合作, 匯聚全世界的核聚變研究成果、主要國家的財力和科技能力, 才能加快這一階段的進程。為此, 規(guī)模空前的國際合作計劃——國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃應運而生。我國也于2003年1月初正式宣布參加ITER計劃政府間談判。ITER是世界上第一個反應堆規(guī)模的受控熱核聚變設施,也是最終實現(xiàn)磁約束聚變能商業(yè)化發(fā)電最重要的科學和技術橋梁。

總體上看, 世界上主要發(fā)展聚變能的國家, 在圍繞建設本國聚變示范堆的目標下, 基本都是通過ITER合作獲得相應實驗堆設計、建造經驗, 利用參與ITER運行以及本國(或國際合作)的大型托卡馬克裝置獲得燃燒等離子體物理、控制和運行經驗, 同時, 圍繞在ITER合作中不能解決的聚變堆抗輻照材料等方面開展關鍵技術攻關。

就我國的情況而言,我國在1984年建成了核聚變領域第一座大科學裝置——中國環(huán)流一號托卡馬克裝置, 實現(xiàn)了我國核聚變研究從原理探索到中大規(guī)模裝置實驗的跨越;2002年我國建成第一個具有偏濾器位形的托卡馬克裝置中國環(huán)流二號;2006年,全超導托卡馬克裝置東方超環(huán)首次放電成功。2020年,中國環(huán)流三號建成,該裝置是我國目前規(guī)模最大、參數(shù)最高的磁約束核聚變實驗研究裝置,也是目前國際上首個具備在兆安培等離子體電流下實現(xiàn)多種先進偏濾器位形能力的核聚變先進研究平臺。

與此同時,國內高校也建造運行一批聚變實驗研究裝置(如華中科技大學的J-TEXT、中國科學技術大學的KTX、清華大學的SUNIST等),整體來看,我國聚變技術已步入國際第一方陣。近期,隨著“聚變熱”,像能量奇點和星環(huán)聚這些民營公司也匯入了聚變產業(yè)的洪流。

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02.核聚變研究面臨的挑戰(zhàn)

作為未來能源,核聚變的挑戰(zhàn)來自于哪里?

我們知道聚變是宇宙能源,氘氚反應,能夠釋放出巨大的能量。其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在燃料儲存豐富、固有安全性好、能效高。因此,它被認為是最終解決能源問題的選項。核聚變有很多模式,主流的磁約束裝置都需要實現(xiàn)上億度的高溫,其實現(xiàn)難度可想而知。核聚變工程必然是一個大工程,比如ITER項目,從其開展過程中,我們可以看到從事這一研究所需要的龐大的系統(tǒng)、龐大的投入。

當前,核聚變堆面臨的三大挑戰(zhàn)是避不開的。一是燃燒等離子體問題,二是抗輻照材料問題,三是氚增殖與自持循環(huán)問題。面對三大技術挑戰(zhàn),可控核聚變仍然有大量技術難關需要攻克。在應對三大挑戰(zhàn)上,國內外都在積極地籌劃下一步的發(fā)展,而且有些進展還是比較大的。對于這些挑戰(zhàn)的應對,各個國家政府的態(tài)度都是比較理性的,基本上鎖定在2050年達成目標。

核工業(yè)西南物理研究院的中國環(huán)流三號建成以后,一直備受各方的關注。推進核聚變技術,中核集團核聚變研發(fā)的整體路線圖已勾勒出來,并且仍在不斷地優(yōu)化。但是這個過程需要一段較長的時間。

巨大的挑戰(zhàn)是客觀的,但是我更想強調的是“定力”。作為前沿顛覆性技術,核聚變是大國競爭的重要賽道,所以國際上普遍聚焦于核聚變在本世紀中葉走向商業(yè)。我國政府非常重視核聚變的發(fā)展,國資委已經在去年將其作為未來能源產業(yè)重要方向之一。所以從這個意義上講,現(xiàn)在國家相關部委都在重視、跟蹤、研討、分析各種各樣的可能性,以使我們在大國競爭的主賽道里立于不敗之地。

事實上,我們都知道科技工程有其不確定性, 這也許正是科學技術發(fā)展的魅力所在。雖然目前看來,抗輻照材料是難題, 但該技術取得突破后,將給聚變研發(fā)帶來極大的提速;而國家對能源結構轉型的迫切需求和對聚變研究支持力度的加大, 以及國內外包括裝備制造、新型材料、人工智能等在內的科技進步對聚變的加持也會加速其實現(xiàn)。從這個意義上講,我們又可以更加樂觀一些。

無論如何,經過半個世紀的努力,曙光已現(xiàn)。我相信經過共同的努力,人類的聚變夢想最終能夠實現(xiàn)。

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