核聚变能源的开发与利用

　　国际热核聚变实验堆（ITER）计划是当今世界规模最大、影响最深远的国际大科学工程计划，项目实施共有34个国家参与研究，其中包括中国、俄罗斯、欧盟等。成员国协作出资，在法国南部地区建造第一个核聚变实验堆，旨在全面验证聚变能源开发和利用的科学可行性、工程可行性，它是人类受控热核聚变研究走向实用的关键一步。

　　1.核聚变能：人类理想的未来清洁能源

　　非可再生资源的运用开发，始终面临着资源终竭的危机，为规避能源危机对人类发展造成的影响，寻求可替代性能源是最直接、最有效的资源管理形式。核能是清洁性、可循环利用的新型能源形态，它具有能源强度大、应用形式广等优势。依据核能研究的基本理论，可将其分为裂变和聚变两种形态。前者当前已经被大众作为电力开发与供应的主要方式，后者的开发与运用，始终是社会能源开发中的难题。

　　核聚变是两个较轻的核结合而形成一个较重的核和一个很轻的核的一种核反应形式，两个较轻的核在融合过程中产生质量亏损而释放出巨大的能量。核聚变能的物理基础是氢的同位素氘和氚发生聚变核反应。核聚变能以氢的同位素氘和氚作为燃料，氘可直接从海水中获取，且将其与锂混合后会产生一定反应。依据实验评估可知，1L海水中所提出的资源，与300L汽油燃烧所产生能量相等。核聚变的燃料和产物都不具有放射性。其产物是氦气，是一种无毒、无害的惰性气体，不产生长寿命放射性废物。从材料反应的条件层面而言，核聚变的反应需求条件较高，一旦反应期间产生变故，离子破裂后，会立即终止聚变的产生。核聚变能凭借资源无限、清洁环保、不产生放射性核废料等优点，被认为是人类未来的理想新能源。如果人类掌握了核聚变能，将拥有可使用上十亿年的绿色能源形式，它不仅能解决人类生存的能源需求问题，更减少了对于环境的污染，这是促进人类文明进步的物质条件。

　　2.托卡马克：“人造太阳”核聚变实验装置

　　核聚变是恒星能量的源泉，宇宙中最基本的力量。太阳普照大地，孕育万物，其能量来自于内部时刻不停的聚变反应，核聚变离我们的生活并不遥远。氢弹爆炸就是核聚变反应，能量巨大，但是不可控的。核聚变作为能源必须对其加以控制，在当前地球环境中，想要实现核聚的条件极难寻找——几亿度离子环境下，方可产生核聚变。而地球表面的温度与这一目标之间相差甚远，如何打破核聚变反应中的温度条件束缚，成为当前工作实践研究中的主要问题之一。

　　自20世纪50年代开始，人类就开始了关于核聚变问题的研究。前苏联科学家所提出的磁约束概念，对应构建的磁控制核聚变结构，是核聚变研究中的重要成果，我们将这一装置称之为“托卡马克”装置。简单来说，该结构主要借助封闭性磁场容器，创造出与汽车内部轮胎相类似的传输模型。通电后，模型内部会就会出现巨大的螺旋型磁场，该结构可带动磁场内的核粒子运动，当磁场周围温度达到一定温度时，内部粒子将发生核聚变，产生能量。

　　磁约束是实现受控核聚变的一种可行的途径，是利用磁场来约束温度极高的等离子体的核燃料使其反应。核聚变所产生的能量，与太阳运动所产生的能量相似，进而也被称为“人造太阳”。托卡马克是人类为尽早开发聚变能研制出的一种实验装置，被公认为是探索、解决未来稳态聚变反应堆工程及物理问题的最有效的途径，是地球寻找聚变能源出路的希望。

　　3.东方超环：世界首个全超导托卡马克核聚变实验装置

　　我国的核聚变能研究开始于20世纪五六十年代，虽然经历了长时间非常困难的时期，但能够始终坚持发展。中国科学院和核工业集团承担相关研究所的建设，主要由两家专业研究院所和中国科学技术大学等若干大学从事聚变相关研究。中科院合肥研究院等离子体物理研究所和核工业西南物理研究院目前正在运行的实验装置是东方超环装置（EAST）和环流器二号装置（HL-2A）。其中，由我国科学家自主研制并拥有完全知识产权的EAST装置是世界首个全超导托卡马克核聚变实验装置。EAST装置研制过程中，依靠自主创新，解决了系列关键技术难题，发展了68项关键技术，建成了20多个关键子系统，2006年全部完成装置建设并实现工程调试一次性成功。通过EAST项目建设，掌握具有更强创新能力的技术形态，很好地填充了国内该领域技术研究中的空白点，从而得到了国际研究群体的肯定。其研究内容包括超导体、超导磁体等。

　　由于我国独有的全超导、主动冷却结构、非圆截面3项技术，以及高参数下实验和研究形式状态，构建起了东方超环装置。它的产生与发展，是能源研究逐步从封闭性国际研究平台向着国际交流性平台的方向转变。同时，东方超环装置自2006年启动以来，发展至今已经积累10万余次放电，前后夺取了行业技术运用的榜首。尤其是近年来东方超环装置在面向聚变反应状态研究中的运用，更是起到了引导性解决辅助核聚变研究关键问题的作用，它为社会资源高效率转换和运用提供了技术保障。2012年实现411秒2千万度高参数设备和高约束（30s运转一周）的结合运行，在2016年又有了新的突破，其运行时间可持续到102s，且高约束运行周期也达到了60s。2017年其运转速率为101.2s，且基本处于稳定状态，它也成为世界上首个托卡马克核聚变实验装置百秒以上的结构。2018—2019年，该装置又在原有成果之上，增加了高温运行的优势，其技术研究与发展形式，更进一步接近了核聚变反应堆的开发与探索需求。此种技术上的突破研究，不仅是我国科技研究水平提升与发展的见证，也是人类科学文明结构实践中自我创新的体现。

　　4.参加ITER计划：高标准优质量树立中国品牌形象

　　ITER的设计和建造集合了人类六七十年的核聚变研究成果，汇集了全球聚变研究人才、智慧、资源和力量，是人类迄今为止最庞大、最复杂、最困难的大科学工程。ITER于2007年启动建造，其部件按各国出资比例由世界各地的顶级企业、科研院所和国家实验室承担研制。到2020年，历经13年，其大部分的部件已研制完成，陆续运抵法国，目前正式进入重大工程安装阶段。ITER工程安装预计2025年底结束，开始投入运行。

　　国家科技部中国国际核聚变能源计划执行中心主要从事国际热核聚变实验堆计划ITER的事务性工作，承担我国ITER计划专项的组织实施，推动我国核聚变能源科技发展。我国参加ITER不仅以9%的投入获得了100%的知识产权，工程进度和质量位居前列，自主研发了一系列聚变工程技术，带动国内一大批高科技产业的快速壮大和发展。作为ITER中国工作组的主要依托单位之一，中科院合肥研究院等离子体物理研究所承担了ITER计划中国采购包的绝大部分研发任务，依靠自主创新，为ITER计划的顺利推进做出了重要贡献。承担的ITER部件研发任务做到了100%合格、100%国产化、产品质量和进度均处于ITER七方30多个国家之首。

　　凭借先进的研发工艺和质量标准，通过国际竞标赢得承担欧盟无法完成的大型超导磁体制造任务，研制成功世界上最大最重的PF6超导磁体线圈，并克服疫情带来的困难，如期交付至ITER现场。研制成功的ITER高温超导大电流引线是ITER七方中首个通过测试验收的原型部件，PF5导体成为ITER七方中首件交付至ITER现场的大件产品。推翻并修正了法国主导的ITER电源和日本主导的超导馈线设计方案。ITER组织总干事给予高度评价，“中国在采购包研发生产方面领先于各方”。此外，还实现向欧美发达国家的技术输出，部分产品国际市场占有率达到100%，让中国设计、中国创造应用于国际大科学工程，在国际上树立了“将不可能变为可能”的“中国创造”品牌形象。我们协同创新能力及质量水平已成为世界聚变界一张亮丽的名片。

　　5.瞄准核聚变能的未来应用：推动建设聚变工程试验堆

　　“核聚变能研究工作为人类在选择未来能源方面开辟了一条光明的道路，你们是在做一项非常伟大的事业，相信一定会取得成功！”正是坚定了这一理想信念，为了人类的核聚变事业，我国聚变研究的中心目标是在可能的条件下使得核聚变能源尽早在中国实现。如将超导、低温技术应用于医疗，研制质子治疗系统，即世界最紧凑型质子治疗装备，可大幅提高我国精准医疗水平和高端医疗装备国产化水平。

　　核聚变大科学工程团队正在全面参与合肥综合性国家科学中心建设，建设“十三五”国家重大科技基础设施——聚变堆主机关键系统综合设施，该领域的建设目标是开创具有国际化水平的超导体传输和运作体系。在开发研究核聚变能源的路上，我国从20世纪六七十年代的“追赶者”，跨越到九十年代的“并跑者”，再到如今成长为具备国际技术输出能力的“领跑者”。中国聚变工程试验堆CFETR是以实现聚变能源为目标，是实现人类聚变能源梦想的重要一环，将填补国际热核聚变实验堆与未来商业核聚变电站之间的差距和空白，将为人类开发利用核聚变清洁能源做出重大贡献。在国家科技部的大力支持下，中科院合肥研究院等离子体物理研究所联合中国科学技术大学等国内外相关单位已经完成了总体设计方案。近两年来，CFETR的集成工程设计以及未来聚变堆的设计正在快速推进，取得一批重大成果。

　　（作者单位：中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所）