院士的話(huà)

核聚變能以其資源無(wú)限、環(huán)境友好和固有安全性等優(yōu)勢(shì)將成為人類(lèi)未來(lái)的理想能源，是目前認(rèn)識(shí)到的最終解決人類(lèi)社會(huì)能源與環(huán)境問(wèn)題的有效途徑之一。開(kāi)發(fā)利用核聚變能將對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、國(guó)防工業(yè)建設(shè)具有重要戰(zhàn)略意義。

葉奇蓁

中國(guó)工程院院士

01

可控核聚變的穩(wěn)態(tài)燃燒研究的意義

核聚變能以其資源無(wú)限、環(huán)境友好和固有安全性等優(yōu)勢(shì)將成為人類(lèi)未來(lái)的理想能源，是目前認(rèn)識(shí)到的最終解決人類(lèi)社會(huì)能源與環(huán)境問(wèn)題的有效途徑之一。開(kāi)發(fā)利用核聚變能將對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、國(guó)防工業(yè)建設(shè)具有重要戰(zhàn)略意義。

02

不竭能源的人類(lèi)夢(mèng)想——核聚變能

1952年世界上第一顆氫彈成功試爆，人類(lèi)認(rèn)識(shí)到了氘-氚核聚變反應(yīng)的巨大能量。但氫彈爆炸是不可控的核聚變反應(yīng)，不能作為提供能源的手段。自此以后，人類(lèi)便致力于在地球上實(shí)現(xiàn)人工控制下的核聚變反應(yīng)，即可控核聚變研究，希望利用

太陽(yáng)發(fā)光發(fā)熱的原理，為人類(lèi)提供源源不斷的能源。因此人們也將可控核聚變研究的實(shí)驗(yàn)裝置稱(chēng)為“人造太陽(yáng)”。

然而，“人造太陽(yáng)”維持自身燃燒的條件非常苛刻。英國(guó)科學(xué)家勞遜在20世紀(jì)50年代詳細(xì)研究了這一條件的門(mén)檻——也被稱(chēng)為聚變點(diǎn)火條件。根據(jù)勞遜等人的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)氘氚可控核聚變的等離子體離子溫度要大于1億度，等離子體密度和等離子體能量約束時(shí)間的乘積大于2×1020m-3·s。

03

未來(lái)能源之路——“人造太陽(yáng)”

能源是人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)和動(dòng)力。一部能源史是人類(lèi)與自然的斗爭(zhēng)史，也是人類(lèi)社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展史。我們的祖先從“鉆木取火”開(kāi)啟能源利用，木材成為人類(lèi)最早利用的能源。工業(yè)革命將人類(lèi)帶入“化石能源時(shí)代”，高熱值、分布廣的煤炭成為全球第一大能源。蒸汽機(jī)為工業(yè)發(fā)展提供了巨大的動(dòng)力。能源利用推動(dòng)了人類(lèi)社會(huì)發(fā)展，同時(shí)，人類(lèi)對(duì)能源的需求進(jìn)一步提升。能源危機(jī)給社會(huì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境帶來(lái)了巨大威脅。一方面化石能源面臨枯竭，另一方面，人類(lèi)向大氣中排入的二氧化碳等溫室氣體逐年增加，大氣的溫室效應(yīng)也隨之增強(qiáng)，已引起全球變暖等一系列嚴(yán)重問(wèn)題。

長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)于未來(lái)的清潔能源做了大量的探索，其中包括可再生能源，比如太陽(yáng)能、風(fēng)能。但是太陽(yáng)能、風(fēng)能等都要受時(shí)間、氣候、地域等因素的限制，相對(duì)于現(xiàn)代社會(huì)對(duì)電力的巨大需求來(lái)說(shuō)，只能解決局部問(wèn)題。目前，解決人類(lèi)能源與環(huán)境問(wèn)題的最大希望是核能，也稱(chēng)為原子能。

原子能分為核裂變和核聚變兩種方式。核裂變是較重的原子核分裂為較輕的原子核并釋放出能量的過(guò)程。人類(lèi)見(jiàn)識(shí)到以核裂變?yōu)樵淼脑訌椀耐蟛痪茫?0世紀(jì)50年代初蘇聯(lián)就建成了世界上首座核（裂變）電站，成功實(shí)現(xiàn)了原子能和平利用。

而核聚變則是將較輕的原子核聚合反應(yīng)而生成較重的原子核，并釋放出巨大能量。氘氚聚變是當(dāng)前地球上最容易實(shí)現(xiàn)的核聚變反應(yīng)，其作為能源優(yōu)勢(shì)非常明顯。首先是燃料在地球上的儲(chǔ)量極為豐富。氘大量存在于在水中，每公升水可提取出約0.035克氘，通過(guò)聚變反應(yīng)可釋放相當(dāng)于燃燒300公升汽油的能量；氚由于半衰期較短，在自然界中儲(chǔ)量有限，但其可通過(guò)中子轟擊鋰來(lái)制備，而在地殼，鹽湖和海水中，鋰都是大量存在的。二是不產(chǎn)生高放射性核廢料，不污染環(huán)境；三是具有固有安全性等優(yōu)點(diǎn)。所以核聚變能源是目前人類(lèi)認(rèn)識(shí)到的，可以最終解決人類(lèi)能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題，推動(dòng)人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。

04

最熱“人造太陽(yáng)”——托卡馬克

地球上“人造太陽(yáng)”的途徑主要為慣性約束和磁約束。慣性約束核聚變研究始于20世紀(jì)70年代，主要是通過(guò)激光或離子束驅(qū)動(dòng)靶丸形成等離子體，利用等離子體粒子自身慣性，通過(guò)內(nèi)爆被壓縮到高溫、高密度狀態(tài)發(fā)生核聚變反應(yīng)。其中進(jìn)展較大的是激光聚變路線，以我國(guó)“神光”計(jì)劃和美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置NIF為代表。磁約束核聚變研究始于20世紀(jì)50年代，其通過(guò)磁場(chǎng)來(lái)約束處于極高溫下的聚變?nèi)剂希瑢⒆銐蚨嗟娜剂显跇O端高溫條件下約束足夠長(zhǎng)時(shí)間，由此實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)，產(chǎn)生聚變能。半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，國(guó)際上探索了箍縮、磁鏡、仿星器、球馬克、托卡馬克等眾多磁約束核聚變路線，當(dāng)前以托卡馬克（圖2）路線技術(shù)最為成熟。

國(guó)際上自托卡馬克開(kāi)展實(shí)驗(yàn)以來(lái)，等離子體綜合參數(shù)不斷提升，裝置的離子溫度、密度與能量約束時(shí)間三者的乘積（“三乘積”）提升了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，逐漸趨近點(diǎn)火條件。先后在歐洲聯(lián)合環(huán)JET與美國(guó)托卡馬克聚變測(cè)試堆TFTR獲得氘氚聚變功率輸出，揭示了托卡馬克磁約束可控核聚變路線的原理可行性。2021年，JET創(chuàng)造了59MJ聚變能輸出的新世界紀(jì)錄。

05

“人造太陽(yáng)”在東方冉冉升起

我國(guó)可控核聚變研究早在20世紀(jì)50年代就開(kāi)始了，幾乎與國(guó)際上可控核聚變研究同時(shí)起步。1955年，正值我國(guó)制定“十二年科學(xué)技術(shù)長(zhǎng)期規(guī)劃”之際，錢(qián)三強(qiáng)以及剛從美國(guó)回來(lái)的李正武等科學(xué)家倡議在我國(guó)開(kāi)展“可控?zé)岷朔磻?yīng)”的研究，目的是為了探索核聚變能的和平利用。1958年開(kāi)始，我國(guó)磁約束可控核聚變實(shí)驗(yàn)研究在原二機(jī)部401所及中國(guó)科學(xué)院物理研究所等研究單位展開(kāi)，并于1965年在四川樂(lè)山建成了我國(guó)致力于聚變能開(kāi)發(fā)的專(zhuān)業(yè)研究機(jī)構(gòu)———西南物理研究所。自此以后，我國(guó)先后發(fā)展了多種類(lèi)型的磁約束聚變研究裝置，如脈沖磁鏡、角向箍縮裝置、仿星器、超導(dǎo)磁鏡、反場(chǎng)箍縮裝置和托卡馬克，于1984年在四川樂(lè)山建成了我國(guó)核聚變領(lǐng)域第一座大科學(xué)裝置———中國(guó)環(huán)流器一號(hào)托卡馬克裝置，它是我國(guó)核聚變研究史上的一個(gè)重要里程碑，其成功建造與運(yùn)行，為我國(guó)自主設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行核聚變實(shí)驗(yàn)研究裝置積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)了相關(guān)技術(shù)及實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的人才隊(duì)伍。現(xiàn)役國(guó)家大科學(xué)裝置“人造太陽(yáng)”中國(guó)環(huán)流二號(hào)（HL-2A）在國(guó)內(nèi)首個(gè)實(shí)現(xiàn)偏濾器位形放電、高約束模，東方超環(huán)（EAST）首次實(shí)現(xiàn)千秒量級(jí)長(zhǎng)脈沖運(yùn)行和403秒高約束模等一系列里程碑。這些裝置為我國(guó)核聚變研究從原理探索到大規(guī)模裝置實(shí)驗(yàn)的跨越式發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)與工程技術(shù)基礎(chǔ)。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)參與ITER計(jì)劃，相關(guān)科研實(shí)力得到極大提升，相關(guān)領(lǐng)域研發(fā)和技術(shù)水平也取得長(zhǎng)足進(jìn)步，通過(guò)國(guó)際大科學(xué)工程的帶動(dòng)，中國(guó)核聚變研究已由跟跑轉(zhuǎn)向并跑，部分技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。新一代“人造太陽(yáng)”中國(guó)環(huán)流三號(hào)（HL-3），是目前國(guó)內(nèi)規(guī)模最大、參數(shù)能力最高的托卡馬克，是目前國(guó)內(nèi)唯一具備堆芯級(jí)高參數(shù)運(yùn)行能力的核聚變研究裝置，是我國(guó)深度參與ITER實(shí)驗(yàn)，消化吸收ITER運(yùn)行成果的大科學(xué)支撐平臺(tái)。2023年，HL-3突破等離子體電流百萬(wàn)安培高約束模式放電，創(chuàng)造了我國(guó)可控核聚變裝置運(yùn)行新紀(jì)錄，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)核聚變裝置運(yùn)行向大電流高參數(shù)運(yùn)行的歷史性跨越，標(biāo)志著我國(guó)核聚變裝置高參數(shù)運(yùn)行技術(shù)水平已躋身國(guó)際前列，向點(diǎn)燃“人造太陽(yáng)”又邁進(jìn)重要一步。在未來(lái)幾年，HL-3計(jì)劃開(kāi)展氘氚實(shí)驗(yàn)，將為聚變堆穩(wěn)態(tài)燃燒科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題提供中國(guó)方案。

我們堅(jiān)信，通過(guò)大家共同努力，“人造太陽(yáng)”一定能閃耀在世界的東方，點(diǎn)亮我們的能源夢(mèng)想。

圖文內(nèi)容來(lái)源于：

《面向未來(lái)的科技——2023重大科學(xué)問(wèn)題、工程技術(shù)難題和產(chǎn)業(yè)技術(shù)問(wèn)題解讀》

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