核聚变|30年后有望用“人造太阳”供能

虚空一粒沙2017

“科幻电影《流浪地球2》中描述的‘重核聚变’是通过‘烧石头’的方式实现行星发动机的能量供应。”近日，全国政协委员、中核集团核聚变领域首席专家段旭如在接受《环球时报》记者专访时表示，从当前工程角度来讲，“重核聚变”暂时还不属于重点研究方向，然而现实世界人类利用轻核聚变实现聚变能源的利用指日可待。
人类离“行星发动机”有多远
春节档热门电影《流浪地球2》为人们展现了由“核动力”构建的科幻场景，1月30日中核集团也展示了《流浪地球2》中“行星发动机”和由中核集团核工业西南物理研究院牵头研发的中国新一代“人造太阳”装置(HL-2M)以及中国环流器二号A(HL-2A)装置的海报，引发热烈讨论。电影中的行星发动机是否真的有据可循?人类目前的科技水平距离实现行星发动机还差多远?对此，段旭如介绍称，《流浪地球2》中描述的重核聚变是通过“烧石头”的方式实现行星发动机的能量供应。核聚变在宇宙中无时无刻不在发生，其原理是利用两个较轻原子核的结合过程中质量亏损从而释放大量能量，最典型的例子就是太阳，时时刻刻在发生轻核聚变反应，而电影中“烧石头”的原料，其相对原子质量要大得多，因此取名为重核聚变。
“然而从当前工程角度来讲，‘重核聚变’暂时还不属于重点研究方向，因为实现重核聚变的条件比轻核聚变高太多，产生可观的轻核聚变温度需要1亿摄氏度以上的高温，而重核聚变所需温度远远超过1亿摄氏度，这是目前难以实现的，”段旭如表示，如果说要用行星发动机推动地球逃离太阳系，总体来说这是一种基于科学基础的美好想象，以目前的技术条件和技术路线来说，暂时无法做到。然而现实世界人类利用轻核聚变实现聚变能源的利用指日可待，相信经过中国 “聚变人”的努力，未来清洁高效的聚变能源一定可以输送到千家万户。
“人造太阳”的研发目标是成为示范核聚变电站
2022年11月，全球最大“人造太阳”核心部件“防火墙”在中国取得重大进展，国际热核聚变实验堆(ITER)计划增强热负荷第一壁完成首件制造，标志着中国实现该项核心科技全球领跑，有力提升了我国在该领域的话语权。
在接受《环球时报》采访时，段旭如表示，ITER是全球最大“人造太阳”，其模拟太阳内部的核聚变反应产生能量，要满足可控核聚变的条件，其燃料粒子的温度需超过1亿摄氏度，且还要产生大量极高能量粒子，关键部件“第一壁”，就是它的“防火墙”，直接面对燃烧的上亿摄氏度等离子体与极高能量的粒子。“ITER增强热负荷第一壁完成首件制造，核心指标优于设计要求，具备批量制造条件，标志着中国全面突破ITER增强热负荷第一壁关键技术，实现该项核心科技持续领跑。”段旭如称。
据段旭如介绍，中国参与ITER项目，一方面是为ITER计划贡献中国智慧和中国力量，另一方面也将极大提高我国核聚变研究水平，中核集团核工业西南物理研究院作为我国参与ITER计划的重要技术支撑单位，承接了中国ITER关键部件研制任务绝大部分涉核部件的研制。通过整合国内外优势资源，突破了多项工程技术难题，建立了ITER相关关键部件的设计、制造、检验的技术规范和测试平台，极大地提高了我国核聚变技术水平。
目前国际聚变研究正处于氘-氚燃烧实验与聚变堆关键核工程技术研发阶段，段旭如表示，“人造太阳”计划下一步重点是从氘-氚燃烧实验阶段逐步向聚变反应堆工程与物理实验阶段过渡，最终进入示范聚变电站阶段和商用聚变电站阶段，实现聚变能和平利用。“当然，这还有一段路需要走，多项工程和技术需要突破，比如自持燃烧等离子体的控制和运行、高耐辐照聚变堆材料、氚自持等，‘人造太阳’将致力于解决聚变堆相关工程和物理问题，为未来建造聚变示范堆奠定坚实基础。”
中国部分聚变技术国际领先
人类到底何时才能实现可控核聚变商业化运用，一直是公众关注的焦点问题。段旭如表示，可控核聚变研发已经从原理探索、大规模实验逐步迈入到反应堆工程实验阶段，现在我们对可控核聚变技术的认知愈加清晰，特别是ITER项目的建设，即将让第一个电站规模的聚变堆成为现实。
同时核工程很多技术有了长足进步，让科研人员更加清楚地认识到未来核聚变电站用到和需要攻克哪些技术。“若依托现有核科技工业体系的基础，凝聚核工程领域具有专业经验和技术基础的相关优势研究单位和企业，逐步搭建聚变能的技术开发体系和工业体系，集中力量开展核聚变工程和技术攻关，约三十年时间，也就是到本世纪中叶，相信人类可以使用上可控核聚变能源。”段旭如称。
中国的可控核聚变研究早在20世纪50年代就开始了，几乎与国际上受控核聚变研究同步。2006年，中国、欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国和印度共同签署了国际热核聚变实验堆计划启动协定，该计划是目前全球规模最大、影响最深远的国际大科学工程之一。同时也是中国以平等身份参加的最大国际科技合作项目。段旭如表示，参与ITER的十多年间，中国的聚变研究得到快速发展，磁约束核聚变研究从过去的跟跑步入并跑阶段，部分技术达到国际领先水平。
段旭如称，我国装置平台建设和能力提升，如中国环流器系列装置和东方超环等，使得我国磁约束聚变研究实现了跨越式发展，物理实验不断取得突破，并推动理论和大规模数值模拟的发展。2020年，中核集团核工业西南物理研究院建成我国新一代“人造太阳”装置，具备了在堆芯级条件下开展先进物理研究的能力，并于2022年实现等离子体电流突破100万安培(1兆安)，创造了我国可控核聚变实验装置运行新纪录，技术水平进一步得到提升。