潘偉

近期，中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“中核集團(tuán)西物院”）新一代人造太陽(yáng)“中國(guó)環(huán)流三號(hào)”（HL-3）首次實(shí)現(xiàn)100萬(wàn)安培等離子體電流下的高約束模式運(yùn)行，再次刷新我國(guó)磁約束聚變裝置運(yùn)行紀(jì)錄。今年4月，世界首個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克“東方超環(huán)”（EAST）成功實(shí)現(xiàn)了403秒穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)脈沖高約束模等離子體運(yùn)行，創(chuàng)造了托卡馬克裝置高約束模式運(yùn)行新的世界紀(jì)錄。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外核聚變研究陸續(xù)取得突破性進(jìn)展。不過(guò)，中國(guó)工程院院士李建剛坦言，核聚變研究成果真正投入商用，變成送入千家萬(wàn)戶的電，可能至少還需要幾十年。他堅(jiān)信：不久的將來(lái)，中國(guó)一定有一盞燈被核聚變點(diǎn)亮。

核工業(yè)是高科技戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，是國(guó)家安全的重要基石。以中核集團(tuán)西物院、中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所等為代表的中國(guó)核聚變研究機(jī)構(gòu)是我國(guó)推進(jìn)核聚變技術(shù)研發(fā)與國(guó)際合作的中堅(jiān)骨干力量，在過(guò)去幾十年里為中國(guó)核聚變研究事業(yè)的“薄發(fā)”打下了深厚基礎(chǔ)。

最接近理想的終極能源

“萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)”不僅是一句歌詞，還是一門(mén)科學(xué)。煤炭、石油、天然氣、風(fēng)能、光伏能、生物能等人類(lèi)使用的大部分能源根本上都來(lái)源于太陽(yáng)，本質(zhì)上都屬于太陽(yáng)能，產(chǎn)生于太陽(yáng)內(nèi)部每時(shí)每刻發(fā)生著的核聚變。

在科幻電影《流浪地球2》中，推動(dòng)地球遠(yuǎn)航的就是上萬(wàn)個(gè)所謂“行星發(fā)動(dòng)機(jī)”，其能量來(lái)自于“受控核聚變”。由于和太陽(yáng)內(nèi)部的核聚變?cè)硐嗤?，受控核聚變?shí)驗(yàn)裝置又被稱(chēng)為“人造太陽(yáng)”。在現(xiàn)實(shí)里，雖然人類(lèi)進(jìn)行了60多年的不懈探索，但是受控核聚變目前仍然處于實(shí)驗(yàn)階段。

中核集團(tuán)黨組書(shū)記、董事長(zhǎng)余劍鋒表示：“未來(lái)可控核聚變的實(shí)現(xiàn)，有望為解決人類(lèi)能源問(wèn)題提供終極方案?！?/p>

據(jù)了解，核能包括核裂變能和核聚變能，目前人類(lèi)核能發(fā)電利用的是核裂變。核裂變和核聚變都有受控和不受控兩大類(lèi)。原子彈是利用不受控核裂變?cè)?，而受控核裂變則可以用來(lái)發(fā)電等。氫彈比原子彈威力更強(qiáng)，利用了不受控核聚變?cè)?；如果受控核聚變研究?shí)現(xiàn)突破，那么人類(lèi)距離商業(yè)化運(yùn)行核聚變發(fā)電等就不再遙遠(yuǎn)。

受控核聚變具有固有安全性，因此不會(huì)發(fā)生像切爾諾貝利、福島核電站這樣的悲劇。“談核色變”的時(shí)代也將徹底與人們告別。

“由于燃燒的氘氚等離子體被磁場(chǎng)約束在真空容器內(nèi)，其密度比空氣低數(shù)個(gè)量級(jí)，聚變堆氘氚燃料含量也較低，因此不會(huì)引起爆炸，也不會(huì)導(dǎo)致泄漏事故?！敝泻思瘓F(tuán)核聚變領(lǐng)域首席專(zhuān)家段旭如說(shuō)。

記者了解到，與傳統(tǒng)能源相比，聚變能具有原料豐富、清潔環(huán)保、不產(chǎn)生直接放射性核廢料等優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)與核聚變發(fā)生過(guò)程的基本原理密切相關(guān)。

那么核聚變是如何產(chǎn)生能量的呢？愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程式E=mc2（能量等于質(zhì)量乘以光速的平方）揭示了質(zhì)量和能量相互轉(zhuǎn)化的理論過(guò)程。以最常見(jiàn)、最容易實(shí)現(xiàn)的核聚變形式之一“氘氚聚變”為例，當(dāng)一個(gè)氘原子（原子核內(nèi)有1個(gè)質(zhì)子和1個(gè)中子）和一個(gè)氚原子（原子核內(nèi)有1個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子）發(fā)生聚合反應(yīng)，會(huì)生成一個(gè)氦原子（原子核內(nèi)有2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子），并釋放一個(gè)中子，同時(shí)因?yàn)橘|(zhì)量發(fā)生虧損釋放約17.6兆電子伏特的能量。

從“投入的原料”來(lái)看，核聚變用到的燃料氘，廣泛存在于海水中。我國(guó)著名核物理學(xué)家、“兩彈一星”功勛獎(jiǎng)?wù)芦@得者王淦昌在《21世紀(jì)主要能源展望》中表示：“1升海水中所含的氘（D）全部聚變釋放出的能量相當(dāng)于300L（升）的汽油。因此水中的氘可供人類(lèi)用幾百億年之久?！贝送猓皠t可以在反應(yīng)堆中通過(guò)鋰再生，而鋰大量存在于地殼和海水中。

從“產(chǎn)出的物質(zhì)”來(lái)看，核聚變沒(méi)有產(chǎn)生任何直接放射性核廢料，也沒(méi)有碳排放，而中子對(duì)堆結(jié)構(gòu)材料的活化只產(chǎn)生少量易于處理的短壽命放射性物質(zhì)。業(yè)內(nèi)專(zhuān)家表示，這可以說(shuō)污染非常小，最接近理想了。此外，也可以使用氦-3進(jìn)行熱核反應(yīng)，氘和氦-3聚變是反應(yīng)條件僅次于氘氚的聚變?nèi)剂?，其產(chǎn)物中無(wú)中子，放射性小。其最主要的缺點(diǎn)是，氦-3在地球上的儲(chǔ)量有限且價(jià)格昂貴。氦-3雖然在地球上儲(chǔ)量很少，但是在月球上儲(chǔ)量巨大。

2022年9月，嫦娥五號(hào)的最新科學(xué)成果公布。其中一項(xiàng)成果顯示，中核集團(tuán)實(shí)現(xiàn)我國(guó)首次成功獲得嫦娥五號(hào)月壤中未來(lái)聚變能源資源——氦-3含量及提取參數(shù)條件，為我國(guó)月球資源評(píng)價(jià)和開(kāi)發(fā)提供了基礎(chǔ)科學(xué)數(shù)據(jù)。

為什么受控核聚變至今處于實(shí)驗(yàn)階段？實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)的條件十分苛刻，需要足夠高的等離子體溫度、密度，并維持一定的反應(yīng)時(shí)間，即由英國(guó)物理學(xué)家勞森在20世紀(jì)50年代提出的“聚變?nèi)胤e”。

其中，“苛刻”在高溫方面的表現(xiàn)之一就是：需要溫度達(dá)到1億攝氏度以上，要知道太陽(yáng)的核心溫度也不過(guò)約為1500萬(wàn)攝氏度。因而，滿足“勞森判據(jù)”、實(shí)現(xiàn)輸出能量大于輸入能量等是人類(lèi)五六十年以來(lái)一直在努力解決的問(wèn)題。

不算晚的起步

在過(guò)去的十多年里，以中核集團(tuán)西物院、中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所等為代表的中國(guó)核聚變研究實(shí)現(xiàn)了從跟跑到并跑，再到部分領(lǐng)跑。

“在磁約束核聚變方面，中國(guó)的核技術(shù)（特別是高通量堆、中子源、加速器等）對(duì)美國(guó)具有優(yōu)勢(shì)?！钡诎藢脟?guó)務(wù)院學(xué)位委員會(huì)學(xué)科評(píng)議組成員和理論經(jīng)濟(jì)學(xué)聯(lián)席召集人、復(fù)旦大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院院長(zhǎng)、中國(guó)經(jīng)濟(jì)研究中心主任張軍今年在探討“中國(guó)核聚變產(chǎn)業(yè)化的挑戰(zhàn)與能源強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略規(guī)劃思路”時(shí)表示：“在核聚變領(lǐng)域，美國(guó)尚不具備卡住中國(guó)‘脖子的技術(shù)儲(chǔ)備和產(chǎn)業(yè)實(shí)力，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)華絕對(duì)技術(shù)優(yōu)勢(shì)?！?/p>

核聚變能的開(kāi)發(fā)是具有前瞻性、創(chuàng)新性、綜合性、長(zhǎng)周期的大科學(xué)工程，遠(yuǎn)非一朝一夕之間就能成功追趕。中國(guó)積累起核聚變技術(shù)優(yōu)勢(shì)的原因之一就在于并不算晚的起步。

20世紀(jì)50年代初，美國(guó)、英國(guó)和蘇聯(lián)在研制核武器的同時(shí)，也在從事受控核聚變的研究工作。1952年，人類(lèi)歷史上第一顆氫彈在太平洋馬紹爾群島的埃尼威托克珊瑚島被引爆，產(chǎn)生的爆炸當(dāng)量相當(dāng)于廣島原子彈的500倍。

同一時(shí)期，我國(guó)及時(shí)前瞻性戰(zhàn)略性布局開(kāi)展受控核聚變研究，隨著老一輩核物理學(xué)家李正武、王承書(shū)等人倡導(dǎo)開(kāi)展“可控?zé)岷朔磻?yīng)”研究，中國(guó)核聚變—— “人造太陽(yáng)”的研究就此拉開(kāi)了帷幕。1965年，伴隨著三線建設(shè)，在四川樂(lè)山建立了我國(guó)磁約束核聚變研究基地——核工業(yè)西南物理研究院。中核集團(tuán)西物院建于1965年，在艱苦的環(huán)境中投身于核聚變研究工作。

1983年，我國(guó)提出核能發(fā)展“熱堆—快堆—聚變堆”的“三步走”戰(zhàn)略，為我國(guó)核能事業(yè)發(fā)展指明了路線和方向。2023年恰逢“三步走”戰(zhàn)略實(shí)施的第40年。

歷經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)的艱苦奮斗，中核集團(tuán)一代又一代“核聚變?nèi)恕币浴翱涓缸啡铡卑愕木瘢ⅰ叭嗽焯?yáng)”的理想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。1984年建成了中國(guó)環(huán)流一號(hào)（HL-1），1994年將其改建成中國(guó)環(huán)流新一號(hào)（HL-1M），2002年建成我國(guó)第一個(gè)具有偏濾器位形的托卡馬克裝置中國(guó)環(huán)流二號(hào)（HL-2A），2020年新一代人造太陽(yáng)裝置“中國(guó)環(huán)流三號(hào)”（HL-3）建成，2022年中國(guó)新一代“人造太陽(yáng)”裝置（HL-3）等離子體電流實(shí)現(xiàn)115萬(wàn)安培……

其中，中國(guó)環(huán)流一號(hào)（HL-1）是中核集團(tuán)西物院在沒(méi)有圖紙資料和技術(shù)條件下，歷經(jīng)8年辛苦攻關(guān)，最終研制成功的中國(guó)第一個(gè)大型人造太陽(yáng)實(shí)驗(yàn)裝置，更是我國(guó)核聚變研究的重要里程碑。以著名核物理學(xué)家王淦昌教授為首的一批科學(xué)家于1990年和1992年兩次對(duì)中國(guó)環(huán)流一號(hào)物理成果進(jìn)行評(píng)議，一致認(rèn)為“達(dá)到了國(guó)際同類(lèi)裝置中等離子體參數(shù)的國(guó)際水平”。據(jù)悉，中核集團(tuán)西物院通過(guò)中國(guó)環(huán)流一號(hào)取得5000多項(xiàng)科研成果，獲國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

“中國(guó)環(huán)流一號(hào)”裝置原址已經(jīng)成為國(guó)家重點(diǎn)文物保護(hù)單位、全國(guó)工業(yè)文化遺產(chǎn)、全國(guó)科普教育基地、全國(guó)科學(xué)家精神教育基地……如今陳列在四川省樂(lè)山市的中國(guó)核聚變博物館面向公眾開(kāi)放。

借力ITER貢獻(xiàn)中國(guó)智慧

正是有了幾代人半個(gè)多世紀(jì)的奮斗和積淀，才有了后來(lái)中國(guó)抓住“國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆”（International Thermonuclear Experimental Reactor，以下簡(jiǎn)稱(chēng)“ITER”）計(jì)劃的機(jī)遇，實(shí)現(xiàn)了近10多年以來(lái)中國(guó)核聚變研究突飛猛進(jìn)的發(fā)展。

“中國(guó)能夠參加ITER，是因?yàn)檫^(guò)去50年我們打下了很好的基礎(chǔ)，這幾年的進(jìn)展更是突飛猛進(jìn)?！敝泻思瘓F(tuán)戰(zhàn)略咨詢委委員、西物院科技委主任劉永說(shuō)。

據(jù)了解，ITER計(jì)劃旨在建造一個(gè)電站級(jí)別的可自持燃燒的托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)堆，以便對(duì)未來(lái)聚變示范堆及商用聚變堆的物理和工程問(wèn)題做深入探索。

作為當(dāng)今世界最大的大科學(xué)工程國(guó)際科技合作計(jì)劃之一，ITER計(jì)劃包括中國(guó)、歐盟、印度、日本、韓國(guó)、俄羅斯、美國(guó)7個(gè)成員方，共有30多個(gè)國(guó)家。中國(guó)于2006年加入該計(jì)劃。

中核集團(tuán)緊緊抓住ITER計(jì)劃這個(gè)難得的歷史機(jī)遇，組織相關(guān)成員單位，承接相關(guān)制造任務(wù)，攻克技術(shù)難題，為ITER計(jì)劃貢獻(xiàn)了“中國(guó)智慧”和“中國(guó)方案”。

自2008年以來(lái)，我國(guó)陸續(xù)承擔(dān)了18個(gè)采購(gòu)包的制造任務(wù)，涵蓋了ITER裝置關(guān)鍵部件，由國(guó)內(nèi)上百家科研院所、企業(yè)承擔(dān)。其中，中核集團(tuán)西物院和中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所是中國(guó)參與ITER計(jì)劃的主要承擔(dān)單位；航天科工貴州航天新力、西部超導(dǎo)、寧夏東方、合肥科燁等企業(yè)參與了ITER計(jì)劃相關(guān)部件、材料、工藝的研發(fā)和加工。

其中，中核集團(tuán)西物院承擔(dān)了ITER計(jì)劃中多個(gè)關(guān)鍵部件的研制任務(wù)，包括磁體支撐系統(tǒng)、包層第一壁、包層屏蔽模塊、氣體注入系統(tǒng)等采購(gòu)包項(xiàng)目。針對(duì)ITER采購(gòu)包任務(wù)，中核集團(tuán)西物院在設(shè)計(jì)創(chuàng)新、特殊材料研制、材料連接技術(shù)、關(guān)鍵部件制造技術(shù)和試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)開(kāi)發(fā)等方面取得突破，突破了一系列聚變工程關(guān)鍵技術(shù)。

我國(guó)參與ITER計(jì)劃不僅為國(guó)際熱核聚變研究發(fā)展作出了貢獻(xiàn)，也使中國(guó)率先掌握大型托卡馬克工程安裝能力及相關(guān)核心技術(shù)，為未來(lái)自主建造聚變商用堆積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)等。

“中國(guó)的聚變技術(shù)因ITER得到長(zhǎng)足發(fā)展，如高功率的連續(xù)波加熱、遙控機(jī)器人維護(hù)以及材料、大型低溫系統(tǒng)、大型電源……這十年來(lái)，中國(guó)在聚變的各個(gè)領(lǐng)域都迅速發(fā)展，有些走到了世界前列。”中國(guó)工程院院士萬(wàn)元熙說(shuō)。

ITER副總干事、中國(guó)國(guó)際核聚變能源計(jì)劃執(zhí)行中心原主任羅德隆曾表示：“現(xiàn)在回過(guò)頭看，我國(guó)當(dāng)時(shí)做出加入ITER計(jì)劃的決定確實(shí)是中央高瞻遠(yuǎn)矚。如果不做這樣的決策，損失一定很大?！?/p>

中核集團(tuán)西物院于2020年12月在四川省成都市建成中國(guó)環(huán)流三號(hào)（HL-3）。該裝置是我國(guó)目前規(guī)模最大、參數(shù)最高的先進(jìn)托卡馬克裝置，是我國(guó)自主設(shè)計(jì)建造的新一代先進(jìn)磁約束核聚變實(shí)驗(yàn)研究裝置。

據(jù)了解，中國(guó)環(huán)流三號(hào)（HL-3）是實(shí)現(xiàn)我國(guó)核聚變能開(kāi)發(fā)事業(yè)跨越式發(fā)展的重要依托裝置，也是我國(guó)消化吸收ITER技術(shù)不可或缺的重要平臺(tái)。未來(lái)，它將成為中國(guó)攜手世界核聚變能開(kāi)發(fā)的國(guó)際合作平臺(tái)，培養(yǎng)造就一批具有國(guó)際水平的核聚變科技領(lǐng)軍人才與高水平的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，形成一批具有國(guó)際影響力的標(biāo)志性科技成果。

ITER計(jì)劃總干事彼得羅·巴拉巴斯基近日表示，ITER計(jì)劃近10年的發(fā)展中，中國(guó)智慧與力量的貢獻(xiàn)不可小覷。

以開(kāi)放合作推動(dòng)自主創(chuàng)新

中核集團(tuán)始終堅(jiān)持立足自主創(chuàng)新，加強(qiáng)開(kāi)放合作，促進(jìn)新形勢(shì)下的國(guó)際交流合作，取得了核聚變領(lǐng)域的累累碩果。

中核集團(tuán)不僅承擔(dān)了ITER的一系列設(shè)備材料研制供貨任務(wù)，還與國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)、法國(guó)、德國(guó)、俄羅斯等30多個(gè)國(guó)際組織和國(guó)家的科研機(jī)構(gòu)、大學(xué)、企業(yè)建立了合作關(guān)系。

2018年1月，中核集團(tuán)西物院攜手法國(guó)原子能委員會(huì)、中國(guó)國(guó)際核聚變能源計(jì)劃執(zhí)行中心、中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所共同成立中法聚變聯(lián)合研究中心。中核集團(tuán)西物院堅(jiān)持國(guó)際化視野，深入推進(jìn)國(guó)際交流合作，依托中法聚變能源中心，發(fā)揮國(guó)際合作示范基地作用，近十年來(lái)，開(kāi)展了30余項(xiàng)國(guó)際科技合作項(xiàng)目，共派出1100余人次赴境外學(xué)習(xí)交流，外派執(zhí)行海外重點(diǎn)項(xiàng)目人員170余人，外派30余人赴ITER等國(guó)際機(jī)構(gòu)任職。

2019年9月，中核集團(tuán)牽頭的中法聯(lián)合體正式與ITER組織簽訂了主機(jī)安裝一號(hào)合同（Tokamak Assembly Contract 1， 以下簡(jiǎn)稱(chēng)“TAC1”）。中法聯(lián)合體由中國(guó)核電工程有限公司牽頭，核工業(yè)西南物理研究院、中國(guó)核工業(yè)二三建設(shè)有限公司、中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所、法國(guó)法馬通公司五家單位組成。TAC1安裝標(biāo)段工程如同核電站核島里的反應(yīng)堆、人體的心臟，重要性不言而喻。

經(jīng)過(guò)約兩年的合作與努力，2021年10月， ITER宣布TAC1聯(lián)合體團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)主機(jī)安裝第一階段任務(wù)，具備吊裝真空容器的條件。全球最大“人造太陽(yáng)”ITER的“心臟”安裝第一階段成功完成，不僅是中核集團(tuán)向全球核能高端市場(chǎng)邁出的實(shí)質(zhì)性一步，也是中核集團(tuán)開(kāi)放合作的典型案例。

全球最大“人造太陽(yáng)”ITER“第一壁”（核聚變中面對(duì)高溫等離子體的一層固體結(jié)構(gòu)）的研制完成，則展現(xiàn)了以中核集團(tuán)西物院為代表的中國(guó)核聚變研究，具有強(qiáng)大自主創(chuàng)新能力。

根據(jù)上文所提到的“聚變?nèi)胤e”，要實(shí)現(xiàn)核聚變，其中僅溫度就要達(dá)到1億攝氏度以上的高溫。在托卡馬克裝置中，面向上億攝氏度堆芯的就是“第一壁”，研制難度可想而知。

“這是中國(guó)團(tuán)隊(duì)承擔(dān)的一份高難度任務(wù)。當(dāng)時(shí)世界上滿足ITER第一壁要求的特殊材料只有美國(guó)有?！敝泻思瘓F(tuán)西物院聚變科學(xué)所所長(zhǎng)鐘武律說(shuō)。

2022年11月，被喻為ITER“防火墻”的增強(qiáng)熱負(fù)荷第一壁完成首件制造。據(jù)介紹，其核心指標(biāo)顯著優(yōu)于設(shè)計(jì)要求，具備了批量制造條件，標(biāo)志著中國(guó)全面突破“ITER增強(qiáng)熱負(fù)荷第一壁”關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)核心科技持續(xù)領(lǐng)跑。中國(guó)團(tuán)隊(duì)領(lǐng)先國(guó)際完成首件制造，再次為ITER關(guān)鍵部件的研發(fā)取得實(shí)質(zhì)性工程突破。

羅德隆表示，這為我國(guó)自主掌握關(guān)鍵技術(shù)、履行國(guó)際承諾、展現(xiàn)大國(guó)擔(dān)當(dāng)作出了巨大貢獻(xiàn)。

受控核聚變作為中國(guó)核能發(fā)展“熱堆—快堆—聚變堆”三步走戰(zhàn)略體系的重要組成部分，是解決國(guó)家能源需求、助推“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)、促進(jìn)新型能源體系構(gòu)建和保障國(guó)家能源安全的關(guān)鍵科技變量。中國(guó)聚變?nèi)藢?jiān)定不移推進(jìn)新時(shí)代聚變發(fā)展路線圖，與國(guó)際同行攜手攻關(guān)，共赴共圓實(shí)現(xiàn)人類(lèi)理想清潔能源的終極夢(mèng)想。