張國書

(核工業(yè)西南物理研究院,四川 成都 610225)

作為低碳能源,核能引起人們廣泛關注。核能又分為核裂變能和核聚變能,相較于核裂變能,核聚變能由于資源豐富和無污染,是人類社會未來的理想能源,也是最有希望徹底解決能源問題的根本出路之一。20世紀90年代,我國政府就制定了 “壓水堆、快堆、聚變堆”三步走的核能發(fā)展戰(zhàn)略,2006年我國政府頒布實施了《國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要》[1],確立了聚變能開發(fā)的發(fā)展綱領,其中明確支持以托卡馬克裝置為磁約束聚變發(fā)展的主要途徑。

自2006年世界7方聯(lián)合簽署合作共同開發(fā)ITER后的10余年里,各國圍繞ITER建造這條主線,在ITER國際組織的領導和協(xié)調(diào)下大規(guī)模地開展了ITER建造相關的物理實驗研究和關鍵工程技術研發(fā),并在許多領域取得了許多實質(zhì)性的新突破和新進展[2]。由于ITER的80%目標集中在驗證DEMO等離子體物理的功率運行及控制,一些國家投入在聚變能源技術相關的關鍵技術,中國在2011年獨自提出和啟動了開發(fā)中國聚變工程實驗堆 (CFETR)設計研發(fā)計劃[3],該堆的主要目標是實驗驗證ITER未能解決的示范聚變堆的氚自持、堆芯穩(wěn)態(tài)運行、材料及部件可靠性等關鍵物理和技術問題。此外,近年來,歐洲采用What-X仿星器裝置[4]及稀土高溫超導新材料研制托ST25卡馬克物理實驗裝置[5]等已建成并取得了突破性的研制和實驗進展,并引起世界關注,為磁約束聚變研究和發(fā)展開辟了新途徑和新方向。本文主要概述近10年核聚變能源的開發(fā)現(xiàn)狀及最新進展。

1　磁約束核聚變的研究進展回顧

從20世紀70年代開始,蘇聯(lián)科學家提出的“托克馬克”途徑逐漸顯示出獨特優(yōu)勢。托克馬克裝置又稱環(huán)流器,等離子體被約束在 “磁籠”中,形成一個中空的面包圈,并有很強的環(huán)電流。隨著各國不同規(guī)模的托克馬克裝置的建成、運行和實驗,托克馬克顯示了較為光明的前景。聚變等離子體溫度達到億度,等離子體約束明顯改善。20世紀90年代,歐洲、日本、美國大型托克馬克裝置取得突破性進展,得到16 MW最大聚變功率輸出,如圖1所示。聚變能的科學可行性得到驗證[6]。

圖1　幾個托卡馬克物理裝置取得的聚變功率輸出實驗結(jié)果Fig.1　Experimental results of fusion power output of several Tokamak devices

由于核聚變能源開發(fā)是人類共同面臨的科學技術挑戰(zhàn),一項以驗證磁約束聚變能科學可行性和工程技術可行性為目標的國際熱核實驗堆(ITER)計劃于1985年由美蘇首腦倡議、國際原子能機構 (IAEA)支持的超大型國際合作開發(fā)項目被正式提出,ITER旨在驗證磁約束聚變能科學可行性和工程技術可行性。1988年歐洲和日本隨即也加入進來,并于1998年歐、美、日、俄四方共同完成工程設計。

1998年,美國退出ITER后,歐、日、俄三方依據(jù) “先進托卡馬克運行模式”的科學基礎,重新對原設計進行改進和優(yōu)化,并于2002年完成設計。改進后的設計稱為ITER-FEAT,即現(xiàn)在的ITER計劃,如表1所示。據(jù)新的設計,ITER裝置的造價由原來100億美元降至50億美元。

表1　改進前后的ITER裝置主要設計參數(shù)Table1　Main design parameters of ITER before and after improvement

預計ITER計劃建設周期為10年,裝置建成后運行20年,退役5年。ITER計劃將集成驗證 “穩(wěn)態(tài)燃燒等離子體”科學問題和部分驗證聚變電站工程技術問題。ITER計劃的實施,標志著磁約束核聚變研究已經(jīng)進入實際的能源開發(fā)階段,其結(jié)果將決定人類能否迅速地、大規(guī)模地使用聚變能源,從而影響人類從根本上解決能源問題的進程。

2　改進后的ITER計劃及目標

2000年以后,因受中國積極加入ITER計劃的影響,韓國、印度也決定加入,包括原來的歐洲、日本、俄羅斯以及重新加入的美國,共同組成了7方ITER理事會。2006年,ITER七方成員的政府代表簽署了共同建造國際熱核試驗堆(ITER)的協(xié)議,ITER的建造標志著國際磁約束聚變能源研究 (MFE)研究已從大托卡馬克裝置、近堆芯的高品質(zhì)高約束燃燒等離子體物理研究進入到聚變能源開發(fā)利用的物理和工程研究階段。根據(jù)協(xié)定,ITER裝置將建在法國南部的Cadarache中心 (馬賽以北約60 k m處),預計2018年完成建造并投入運行,設計聚變功率輸出50～70萬k W,等離子體放電脈沖500～1000 s。除了等離子體指標外,該計劃還涉及大型超導磁體、等離子體加熱及電流驅(qū)動、堆芯部件遠距離操作維修、涉氚技術等聚變堆工程技術問題。如果ITER裝置如期建成并達到預期目標,百萬千瓦級的示范聚變電站可望在2030年前后開始建造,并在2050年前后實現(xiàn)核聚變能源商用化。

根據(jù)聯(lián)合實施協(xié)定,所有的部件將由7個參與方分別研制和提供,并按規(guī)定時間節(jié)點提交安裝.經(jīng)過分解,ITER裝置的部件被拆分成22個采購包,97個子包。我國承擔了12個子包 (分屬6個采購包)的制造任務,預計研制費和加工費達40億元人民幣。涉及的部件 (材料)為:磁體支撐、包層第一壁、包層屏蔽體、氣體閥門箱和輝光放電清洗系統(tǒng)、修正場線圈、磁體引線、高壓變電站設備、交-直流轉(zhuǎn)換器、環(huán)向場磁體線圈導體、極向場磁體線圈導體、傳送車系統(tǒng)、診斷系統(tǒng) (中子通量測量、光學測量、朗繆爾探針)等。

氚增殖包層用于氚增殖、回收、純化與再循環(huán)等,它是未來聚變電站核心技術之一。ITER實驗包層模塊 (簡稱ITER TBM)項目的研究目標即驗證聚變堆包層的氚增殖及高熱能量提取等關鍵技術。目前,各國ITER TBM的設計方案都是基于本國的聚變能源開發(fā)戰(zhàn)略和DEMO示范堆的定義來確定的,根據(jù)國際聚變技術的發(fā)展趨勢,“氦冷/鋰陶瓷氚增殖劑/鐵素體鋼馬氏體鋼結(jié)構材料”(HCCB)和 “氦鋰雙冷 (或氦單冷)/液態(tài)鋰鉛增殖劑/鐵素體鋼馬氏體鋼結(jié)構材料”(DCLL),是示范堆 (DEMO)包層首選的兩種概念。我國從2004年開始參加ITER TBM活動,2009年經(jīng)ITER理事會,中方確定以氦冷固態(tài) (HCCB)概念TBM[7-8]。目前中國ITER HCCB TBM系統(tǒng)概念設計 (CD)階段已通過驗收,進入了工程設計 (PD)階段。

從2006年至今,總體上ITER取得許多長足的積極進展,但是由于ITER參與的國家、機構及人數(shù)等眾多,涉及項目的管理、執(zhí)行和技術協(xié)調(diào)等難度的確很大,進度受到很大影響,因此ITER組織理事會不得不于2016年開會決定,原計劃2018年ITER建造完成并實現(xiàn)第一次等離子體放點的計劃推遲至2025年。

3　DEMO示范堆電站技術研究

實現(xiàn)核聚變能源的商用,還有很長的路要走,預計要到2050年,才能建成具有經(jīng)濟競爭力的商用聚變電站。在實現(xiàn)聚變能商用之前,人類還要經(jīng)歷示范堆階段,以驗證商用聚變電站的工程技術可行性、環(huán)境可行性及經(jīng)濟可行性。示范堆的聚變功率大致為2～3 GW,示范堆與聚變電站技術主要包括:芯部等離子體技術,包層與能量獲取技術,結(jié)構材料與功能材料技術,堆級超導磁體技術,屏蔽與安全技術,診斷與控制技術等。其中包層技術是聚變堆實現(xiàn) “氚自持循環(huán)”與獲取能量的關鍵技術,包層類型的選擇將決定聚變反應堆的基本特征。同時,人類還長期致力于核聚變能源的 “非電力應用”研究,如聚變中子嬗變 (裂變堆產(chǎn)生的)高放廢物以及聚變產(chǎn)氫等研究,這些應用研究將有助于推動聚變電站技術的發(fā)展。

按照預期,一旦ITER建成并成功達到其實驗目標,則磁約束聚變開發(fā)進入建造聚變示范堆DEMO階段[9],DEMO是一個全尺寸、全功能、全功率的聚變示范電站,然后在本世紀中葉左右建造聚變電站,實現(xiàn)聚變能源的商業(yè)利用。為此,目前在ITER工程建造的同時,各個成員在盡力推進各自承擔的ITER采購包任務的研發(fā)、確保ITER成功的同時,重點開展兩個方面的研究:1)瞄準ITER即將開始的物理實驗,在各自的托卡馬克裝置上發(fā)展實驗技術,提升實驗研究水平,開展物理實驗,認識ITER的堆芯燃燒等離子體物理,以增加自身在ITER物理實驗階段的競爭力和發(fā)言權,達到更好利用ITER的目的,補充各自國內(nèi)MFE發(fā)展研究;2)瞄準ITER后的發(fā)展路線,建造工程和裝置平臺,開展測試和設計研究,發(fā)展聚變堆工程技術。歐洲提出了開發(fā)聚變能源的 “快車道”計劃,即從ITER直接過渡到示范堆的技術路線。美國則希望在ITER和示范堆之間建造一個部件實驗裝置(CTF)和聚變核科學設施 (FNSF),以解決示范堆的關鍵工程技術問題。

根據(jù)我國國情,中國在2011年提出并啟動了獨自設計建造一個中國聚變工程實驗堆 (CFETR),作為從ITER到DEMO示范堆的過渡階段。

4　CFETR設計研發(fā)

中國加入ITER和增強對國內(nèi)磁約束聚變研究支持力度的最終目標是盡快獲得可供使用的聚變新能源,為此,2011年3月成立了聚變堆總體設計組,它的最重要使命是:將中國磁約束聚變研究的目標集中到聚變能源的開發(fā);在吸收、消化ITER物理和工程技術的基礎上組織國內(nèi)聚變界進行中國聚變工程實驗堆 (CFETR)的總體集成設計,為在中國盡快建成聚變能源堆奠定設計基礎。CFETR是繼ITER之后橋接聚變示范堆 (DEMO)的一個大型試驗堆平臺。

目前,CFETR已確定的總體目標和總體設計參數(shù)為:實現(xiàn)聚變功率Pf=200～1000 MW;運行因子≥30%～50% 的長脈沖或穩(wěn)態(tài)運行 (獲得聚變能,并將消耗和大量在線處理燃料氚);通過先進增殖包層 (TBR＞1)和先進氚工廠實現(xiàn)氚自持;在高熱負荷和高通量中子輻照下進行材料實驗和篩選,為設計建造PFPP奠定基礎;通過先進遙操系統(tǒng)實現(xiàn)包層和偏濾器快捷和安全的維護、維修和更換;為及時獲得聚變示范堆許可證取得經(jīng)驗、數(shù)據(jù)和奠定科學技術基礎。

CFETR經(jīng)過近5年的研討、論證和概念設計,中國磁約束聚變界在以下重大問題上達成一致:1)中國的磁約束聚變研究必須以開發(fā)聚變能源為目標;2)迄今為止托卡馬克是最有希望實現(xiàn)上述目標的磁約束聚變途徑;3)加入ITER之后,中國下一步必須建造一個工程實驗堆;4)為了獲得具有實用意義的能源,CFETR必須穩(wěn)態(tài)運行 (高工作時間);5)CFETR實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運行的必要條件之一是建造超導托卡馬克;6)實現(xiàn)CFETR穩(wěn)態(tài)運行的另一必要條件是:通過物理和工程技術的發(fā)展,實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)電流驅(qū)動、穩(wěn)態(tài)加熱和燃燒等離子體加料排灰的穩(wěn)態(tài)平衡;7)穩(wěn)態(tài)運行的聚變能源堆將燃耗大量氚。

氚的燃燒效率+提取效率+循環(huán)處理效率將決定在線運行氚的總量 (它決定氚的年衰減消耗量),作為能源堆,通過增殖氚以平衡各種消耗,實現(xiàn)氚自持是CFETR的重大科學目標。

5　我國聚變能發(fā)展戰(zhàn)略及技術路線

我國的受控核聚變研究始于20世紀50年代中期,經(jīng)過50余年的努力,我國先后共建造了30多臺核聚變實驗裝置。我國自行設計建造的中國環(huán)流器一號 (HL-1)裝置于1984年在核工業(yè)西南物理研究院建成,標志著我國核聚變研究由原理性探索進入到規(guī)?；瘜嶒炑芯侩A段,1995年又成功建造了中國環(huán)流器新一號 (HL-1 M)裝置,該裝置達到國際同類型同規(guī)模裝置的先進水平,2002年我國第一個具有偏濾器位形的大型托卡馬克中國環(huán)流器二號A(HL-2A)裝置建成,等離子體電子溫度達到5500萬℃,國內(nèi)首次獲得了高約束H模的等離子體運行參數(shù)。中國科學院等離子體物理研究所先后建成了HT-6B、HT-6 M銅導體托卡馬克裝置,HT-7、EAST(先進超導托卡馬克實驗裝置),并于2016年首次實現(xiàn)了100 s長脈沖的等離子體H模放電實驗。中國工程物理研究院、中國原子能院、中科院合肥核安全研究所、中國科學技術大學、清華大學、中國科學院物理研究所、華中科技大學、北京科技大學等科研機構也在核聚變研究領域開展工作。

我國MFE開發(fā)的總體發(fā)展戰(zhàn)略目標是:近期以全面參加ITER計劃、消化吸收ITER技術和分享ITER知識產(chǎn)權,搞好國內(nèi)磁約束核聚變研究、積累聚變堆科學和工程技術知識,加強人才培養(yǎng)為目標;中期以建造聚變堆部件驗證工程試驗平臺,進行聚變堆單項技術攻關,開展示范堆設計研究,具備設計和建造聚變示范堆能力為目標;遠期以設計建造聚變示范堆,實現(xiàn)核聚變能源商用為目標。

目前,根據(jù)我國國情,我國確定了磁約束聚變能源發(fā)展技術路線[10],如圖2所示,其要點是:1)利用國內(nèi)聚變實驗裝置 (如HL-2 A及其升級裝置、EAST和J-TEXT等),開展前沿等離子體物理研究;2)加強聚變堆技術研究和基礎技術平臺與人才隊伍建設;3)全面參與ITER計劃,消化、吸收和掌握ITER的設計技術和加工制造技術;4)參與示范堆有關的國際合作,開展示范堆設計與關鍵技術預研工作;5)自主設計建造CFETR,為2050年左右建造DEMO和PFPP奠定工程基礎;6)加入國際聚變材料輻照試驗裝置 (IFMIF)研究計劃。

6　磁約束聚變基礎研究新進展

由于聚變能源開發(fā)面臨許多物理及工程材料等難度極大的問題,除ITER主線外,近年國內(nèi)外在磁約束基礎研究等領域積極探索和發(fā)展,取得了積極進展,拓寬了磁約束聚變的研究領域,并將對聚變能源開發(fā)產(chǎn)生積極影響。

國外方面,2015年世界最大的仿星器裝置W7-X在德國馬克斯-普朗克研究所建成,并于2016年達到最大磁場的設計目標,并開展了初步物理實驗。仿星器裝置是區(qū)別于托卡馬克磁約束聚變的另一種很有前景的技術路線,與托卡馬克裝置相比,仿星器裝置因采用扭曲的3D磁場的特殊設計可使等離子體不破裂,即可實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運行而一直備受聚變界關注。此外,是英國托卡馬克能源私人公司成功建造了世界首臺完全高溫超導磁體的托卡馬克裝置ST25 2.0 HTS,該裝置在2015年倫敦皇家學會夏季科學展覽會上演示了連續(xù)29 h等離子體運行。稀土高溫超導聚變裝置因運行溫度高和上界磁場強度大等優(yōu)點為磁約束聚變研究拓展了新平臺。受上述兩方面實驗進展的刺激,世界部分聚變科學家逐漸將目光轉(zhuǎn)向了與仿星器和高溫超導聚變裝置等相關方面的研究。

國內(nèi)方面,2015年,中國科大建成了我國首臺反場箍縮磁約束聚變裝置-“科大一環(huán)”,該裝置是另一類環(huán)形、非超導磁約束聚變裝置,磁場可達7000 GS,等離子體電流可達1 MA,電子溫度可達600萬℃,放電時間可達100 ms。2017年,中科院合肥所在EAST裝置實現(xiàn)100 s H模等離子體放電實驗,創(chuàng)造世界第一的紀錄[11]。同年,核工業(yè)西南物理研究院在ITER包層第一壁關鍵工藝重大突破,世界上第一個通過ITER國際認證實驗測試。近年西南交大、南華大學等高校已正式提出了與國外合作研制或從國外引進仿星器聚變裝置,并取得積極進展。2017年,國家發(fā)改委在 “十三五”國家重大基礎設施建造項目中批復立項了托卡馬克聚變基礎試驗設施裝置建造項目,用于偏濾器工程系統(tǒng)等研究,該裝置的建成將極大促進我國聚變堆工程技術發(fā)展。

圖2　中國磁約束聚變能發(fā)展技術路線圖Fig.2　The technical road map of China's magnetic confinement fusion energy development

7　結(jié)束語

開展受控核聚變能源開發(fā)研究的最終目的是建成經(jīng)濟性能優(yōu)異、安全可靠、無環(huán)境污染的聚變電站,成為國民經(jīng)濟發(fā)展的支柱性能源。開發(fā)核聚變能源,對于我國的可持續(xù)發(fā)展有著重要的戰(zhàn)略和經(jīng)濟意義。隨著我國綜合國力的迅速加強,加快我國開發(fā)核聚變能源研究的步伐,不僅是必要的,也是可行的。聚變能是人類最理想的能源,國際核聚變研究取得了非常大的進步,我國在聚變工程,實驗及理論等方面的研究部分已達到國際領先水平,ITER計劃進展顯著,我國采購包任務執(zhí)行成果豐碩,中國已經(jīng)制定了聚變能發(fā)展線路圖,爭取早日建成聚變能堆率先實現(xiàn)核聚變能。

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