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劉永：核聚變，作為未來(lái)能源的挑戰與應對

發(fā)布時(shí)間：2024-09-26
來(lái)源：中國核工業(yè)
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　　——中核集團首席科學(xué)家
　　當前, 能源安全、環(huán)境和氣候變化等問(wèn)題成為21世紀面臨的最嚴峻挑戰。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(guān)注。但是，熱潮之下也不乏隱憂(yōu)?！　?/div>
　　據全球聚變工業(yè)協(xié)會(huì )FIA統計，截至2023年12月，全球共有43家私人核聚變公司，這些私營(yíng)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(guò)62億美元。但我們作為從業(yè)者，一方面心里要有數，全球核聚變研究距離實(shí)現發(fā)電尚有距離，另一方面，更要有定力，路雖遠，行則將至?！　　?/div>
　　1.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(jìn)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(guān)鍵參數，最終滿(mǎn)足受控核聚變反應的條件。從上世紀70年代開(kāi)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(kāi)展實(shí)驗以來(lái)，等離子體綜合參數不斷提升，聚變工程技術(shù)也有了長(cháng)足的進(jìn)步，但距離實(shí)現應用,諸多關(guān)鍵技術(shù)仍存在很大挑戰?！　?/div>
　　為了驗證聚變的技術(shù)可行性, 需要建造一個(gè)具有聚變電站所需大多數技術(shù)特征的更大規模的托卡馬克裝置, 來(lái)試驗和演示聚變電站的關(guān)鍵技術(shù), 并探索燃燒等離子體的新物理問(wèn)題。為實(shí)現這一目標, 國際聚變界一致認為通過(guò)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(jìn)程。為此, 規?？涨暗膰H合作計劃——國際熱核聚變實(shí)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(gè)反應堆規模的受控熱核聚變設施,也是最終實(shí)現磁約束聚變能商業(yè)化發(fā)電最重要的科學(xué)和技術(shù)橋梁?！　?/div>
　　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(guò)ITER合作獲得相應實(shí)驗堆設計、建造經(jīng)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(jīng)驗, 同時(shí), 圍繞在ITER合作中不能解決的聚變堆抗輻照材料等方面開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)?！　?/div>
　　就我國的情況而言，我國在1984年建成了核聚變領(lǐng)域第一座大科學(xué)裝置——中國環(huán)流一號托卡馬克裝置, 實(shí)現了我國核聚變研究從原理探索到中大規模裝置實(shí)驗的跨越；2002年我國建成第一個(gè)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模最大、參數最高的磁約束核聚變實(shí)驗研究裝置，也是目前國際上首個(gè)具備在兆安培等離子體電流下實(shí)現多種先進(jìn)偏濾器位形能力的核聚變先進(jìn)研究平臺?！　?/div>
　　與此同時(shí)，國內高校也建造運行一批聚變實(shí)驗研究裝置（如華中科技大學(xué)的J-TEXT、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的KTX、清華大學(xué)的SUNIST等），整體來(lái)看，我國聚變技術(shù)已步入國際第一方陣。近期，隨著(zhù)“聚變熱”，像能量奇點(diǎn)和星環(huán)聚這些民營(yíng)公司也匯入了聚變產(chǎn)業(yè)的洪流?！　?/div>
　　2.核聚變研究面臨的挑戰　　
　　作為未來(lái)能源，核聚變的挑戰來(lái)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(wèn)題的選項。核聚變有很多模式，主流的磁約束裝置都需要實(shí)現上億度的高溫，其實(shí)現難度可想而知。核聚變工程必然是一個(gè)大工程，比如ITER項目，從其開(kāi)展過(guò)程中，我們可以看到從事這一研究所需要的龐大的系統、龐大的投入?！　?/div>
　　當前，核聚變堆面臨的三大挑戰是避不開(kāi)的。一是燃燒等離子體問(wèn)題，二是抗輻照材料問(wèn)題，三是氚增殖與自持循環(huán)問(wèn)題。面對三大技術(shù)挑戰，可控核聚變仍然有大量技術(shù)難關(guān)需要攻克。在應對三大挑戰上，國內外都在積極地籌劃下一步的發(fā)展，而且有些進(jìn)展還是比較大的。對于這些挑戰的應對，各個(gè)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?！　?/div>
　　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(guān)注。推進(jìn)核聚變技術(shù)，中核集團核聚變研發(fā)的整體路線(xiàn)圖已勾勒出來(lái)，并且仍在不斷地優(yōu)化。但是這個(gè)過(guò)程需要一段較長(cháng)的時(shí)間?！　?/div>
　　巨大的挑戰是客觀(guān)的，但是我更想強調的是“定力”。作為前沿顛覆性技術(shù)，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(jīng)在去年將其作為未來(lái)能源產(chǎn)業(yè)重要方向之一。所以從這個(gè)意義上講，現在國家相關(guān)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?！　　　?/div>
　　事實(shí)上，我們都知道科技工程有其不確定性, 這也許正是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的魅力所在。雖然目前看來(lái)，抗輻照材料是難題, 但該技術(shù)取得突破后，將給聚變研發(fā)帶來(lái)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(jìn)步對聚變的加持也會(huì )加速其實(shí)現。從這個(gè)意義上講，我們又可以更加樂(lè )觀(guān)一些?！　?/div>
　　無(wú)論如何，經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀的努力，曙光已現。我相信經(jīng)過(guò)共同的努力，人類(lèi)的聚變夢(mèng)想最終能夠實(shí)現?！　?/div>
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