受控核聚變：用“人造太陽”點亮能源夢想
——專訪核工業西南物理研究院院長段旭如

“人造太陽”生發于核聚變，是解決人類能源重要途徑

《中國核電》：想要認識“人造太陽”項目的巨大作用和意義，首先要對受控核聚變的原理及優勢有深入理解，對此您能做一個簡單的科普嗎？

段旭如：要理解受控核聚變，首先要知道什么是核聚變。眾所周知，原子能的利用包括核裂變和核聚變方式。核裂變是將較重的原子核分裂為較輕的原子核并釋放出能量，人類早在20世紀50年代初由蘇聯建成了世界上首座核電站，成功實現了原子能和平利用。而核聚變則是將較輕的原子核聚合反應而生成較重的原子核，并釋放出巨大能量，太陽及恒星之所以發光發熱，正是因為其內部持續不斷地進行著輕核間的核聚變反應。

“人造太陽”又是怎么來的呢？人類在掌握了核聚變原理之后，早在1952年便成功試爆了世界上第一顆氫彈，但氫彈爆炸是不可控的核聚變反應，不能作為提供能源的手段。自那以后，人類便致力于在地球上實現人工控制下的核聚變反應，即受控核聚變研究，希望利用太陽發光發熱的原理，為人類提供源源不斷的能源。因此人們也將受控核聚變研究的實驗裝置稱為“人造太陽”。

實現核聚變需要非常苛刻的條件。如原子核必須具備足夠的能量，克服核間的庫倫排斥力，相互靠得足夠近，以便讓短程核間吸引力發揮主要作用，從而實現核聚變反應。氫彈的爆炸就依賴于原子彈來引爆，以達到極端高溫高密度條件，燃料需達到上億攝氏度高溫！

如此高溫下，燃料的原子將全部電離成離子(原子核)和電子，它們組成的集合體即等離子體。但極端高溫下的燃料無法用普通固體容器來盛裝，為此，科學家們提出用強磁場來約束處于極高溫下的聚變燃料，將足夠多的燃料在極端高溫條件下約束足夠長時間，由此實現核聚變反應，產生聚變能。正因如此，核聚變原理雖然簡單，但聚變能開發卻面臨一系列科學與技術挑戰。人類努力了幾十年，還沒有實現核聚變能的和平利用。

在所有的核聚變反應中，氫的同位素——氘和氚的核聚變反應是相對容易實現的。因此，人類至今探索研究的受控核聚變是基于氘氚聚變燃料的核聚變。其中，氘可以從海水中提取，海水中氘的含量很豐富。燃料中的另一種成分氚是放射性元素，其半衰期只有12年半，自然界中儲量極少，主要通過中子與金屬鋰發生反應而獲得。所以，受控核聚變所需的直接燃料是海水中的氘及自然界中的金屬鋰。

核聚變能源的優勢非常明顯。一是燃料在地球上的儲量極為豐富；二是不產生高放射性核廢料，不污染環境；三是具有固有安全性等優點。所以核聚變能源是目前人類認識到的，可以最終解決人類能源問題和環境問題，推動人類社會可持續發展的重要途徑之一?；诖?，核聚變能源的開發得到世界各國重視。

我國研究與國際幾乎同時起步，有堅實的科技基礎

《中國核電》：中國申請加入ITER期間，國內聚變領域也已經開展了大量研究，這是出于什么樣的想法？ 為聚變未來的發展打下了什么樣的基礎？

段旭如：我國受控核聚變研究早在20世紀50年代就開始了，幾乎與國際上受控核聚變研究同時起步。1955年，正值我國制定“十二年科學技術長期規劃”之際，錢三強以及剛從美國回來的李正武等科學家倡議在我國開展“可控熱核反應”的研究，目的是為了探索核聚變能的和平利用。

1958年開始，我國磁約束受控核聚變實驗研究在原二機部401所及中國科學院物理研究所等研究單位展開，并于1965年在四川樂山建成了我國致力于聚變能開發的專業研究機構——西南物理研究所。自此以后，我國先后發展了多種類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、超導磁鏡、反場箍縮裝置和托卡馬克，于1984年在四川樂山建成了我國核聚變領域第一座大科學裝置——中國環流器一號托卡馬克裝置，它是我國核聚變研究史上的一個重要里程碑，其成功建造與運行，為我國自主設計、建造、運行核聚變實驗研究裝置積累了豐富經驗，培養了相關技術及實驗運行的人才隊伍。這些裝置為我國核聚變研究從原理探索到大規模裝置實驗的跨越式發展奠定了堅實的科學與工程技術基礎。

中國核聚變研究已轉入“并跑”，部分技術國際領先

《中國核電》：中國加入ITER至今也有十幾年歷史了，取得了哪些成就，現在的中國聚變發展處于什么地位？

段旭如：國際磁約束聚變界通過幾十年努力，在核聚變研究領域取得了重大進展，裝置的離子溫度、密度與能量約束時間“三乘積”提升了幾個數量級，但要實現受控核聚變，關鍵技術上仍存在很大挑戰，需凝聚全世界之力共同攻克。1985年美蘇首腦提出了國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃，其目的就是希望通過國際合作共同努力，建造一座核聚變反應堆，以驗證核聚變能和平利用的科學可行性和工程技術可行性。

2003年，我國以“平等伙伴”身份加入ITER計劃談判，2006年11月會同歐盟、美國、俄羅斯、日本、韓國和印度共七方簽署了啟動ITER項目協定。ITER計劃是目前全球規模最大、影響最深遠的國際科技合作項目之一，該計劃集成了當今國際上磁約束受控核聚變研究的主要科學和技術成果，首次建造可實現大規模聚變反應的聚變實驗堆，將研究解決相關科學和關鍵技術難題，是人類受控核聚變研究走向實用的關鍵一步，備受各國政府與科技界高度重視和支持。

我國為什么參與ITER計劃？這既有利于促進我國磁約束核聚變能研發進程及相關科學技術進步，也有利于ITER計劃更好地實施。全球能源消耗日益增加，當前占主導的化石燃料能源消耗帶來了嚴重的環境問題，沒有誰能獨善其身，長遠來看人類也必須找到一種清潔而又資源豐富的能源取而代之。受控核聚變因其固有特點，是目前人類認識到的最理想的重要能源途徑之一。參與ITER計劃對我國開發核聚變能源，實現“熱堆—快堆—聚變堆”核能三步走戰略，也具有重要意義。還可提升我國科技創新能力，國際項目管理能力和專業技術人才培養能力，推動其他相關學科發展，加速相關技術進步和應用。

自2008年我國科學技術部成立核聚變中心以來，我國陸續承擔了18個采購包的制造任務，涵蓋了ITER裝置重要關鍵部件，共有上百家科研院所、企業直接參與。在核聚變中心的領導和組織協調下，核工業西南物理研究院及中科院等離子體物理研究所等單位充分發揮在聚變實驗研究裝置以及聚變堆關鍵技術研發方面的優勢，聯合國內相關優勢院校企業展開了技術攻關。

我國承擔的ITER采購包任務進展順利，取得了一系列技術突破，成果豐碩。比如，核工業西南物理研究院牽頭研發的第一壁采購包半原型部件在2016年成功通過高熱負荷測試，在世界上率先通過認證，同時也帶動了我國其他相關領域技術發展。為順利完成中方承擔的ITER采購包任務，我國通過多年探索與攻關，在一些聚變堆關鍵技術與關鍵材料等方面已擁有國際先進的研發或生產能力，在服務ITER計劃的同時，也帶動了這些領域及相關行業的技術升級。比如，西部超導材料科技股份有限公司獲得自主知識產權的ITER用超導線材制備技術并向ITER計劃批量供貨，對中國超導及合金的研發起到了重要推動作用；2019年9月30日ITER組織總干事比戈代表ITER組織與中核集團牽頭的中法聯合體正式簽訂了國際熱核聚變實驗堆主機安裝1號合同(TAC1)，這是有史以來中國企業在歐洲市場中競標的最大核能工程項目合同，該合同的簽訂標志著我國核聚變技術與人才積累、核電建設能力以及國際影響力獲得國際聚變界認可。

我國以“平等伙伴”身份加入ITER計劃，貢獻比例約占9%，其中70%以上以實物貢獻方式(即研發制造ITER裝置部件)。目前，我國按時、高標準、高質量交付了有關任務，采購包完成質量與進度均走在ITER七方前列，有力推動了項目實施，得到參與各方充分肯定。另外，我國用約9%的投入分享到ITER的全部知識產權，將為我國建造自己的核聚變試驗堆提供必要的技術儲備。通過參與ITER計劃，相關科研實力得到極大提升，相關領域研發和技術水平也取得長足進步，通過國際大科學工程的帶動，中國核聚變研究已由跟跑轉向并跑，部分技術達到國際領先水平。

此外，中國在托卡馬克實驗和物理研究方面也取得了長足的進步，取得了一系列創新性成果。比如，HL-2A裝置實現由低約束模式到高約束模式的等離子體運行，使我國成為繼歐、美、日之后成功實現了高約束模式運行的少數國家之一。EAST裝置則率先實現了百秒量級高約束模式運行，這也是非常重要的成果。

自加入ITER計劃以來，我國核聚變研究事業蓬勃發展，極大促進了國內核聚變研究的交叉融合發展，專業科研院所和包括北京大學、清華大學、中國科學技術大學、華中科技大學、四川大學及大連理工大學等在內的各大高校相互協作，取長補短，科研隊伍不斷擴大，為我國受控核聚變研究培養了團隊，儲備了人才。

CFETR研究正深入開展，未來五個方面共同努力

《中國核電》：中國已在著手設計自己的聚變實驗堆，能具體介紹一下該項目的進展以及下一步中國聚變的發展么？

段旭如：參加ITER計劃是我國磁約束核聚變能研發計劃中關鍵一步。目前ITER計劃已全面實施，我國自主建造未來聚變堆仍面臨一系列關鍵科學與技術挑戰，需提前布局，一一攻克。因此，我國聚變界根據中國核聚變研究發展現狀制定了發展路線和目標。2011年開始的中國聚變工程試驗堆(CFETR)設計研究，就是該路線的一個重要方面。

CFETR主要瞄準幾個方面：1)利用多種運行模式實現“自持聚變燃燒”；2)研究和發展氚增殖和取能技術，實現“氚自持”；3)進行聚變科學、材料、部件等方面研究并建立核數據庫；4)建立系統的聚變堆核安全架構及聚變堆標準體系。在過去的幾年里， CFETR的研究正在深入開展，項目集中了相關研究單位的骨干力量，共有三十多家研究院所與高校共同參與，目前正集中力量開展CFETR的工程設計研究。

受控核聚變有望于本世紀中葉實現和平利用。立足我國磁約束核聚變研究現狀，下一步我國核聚變的發展應充分利用ITER的建設與運行，重點進行人才培養與技術儲備，瞄準自主設計建造聚變堆，開展ITER未涵蓋的未來聚變堆關鍵技術攻關?？蓮倪@些方面開展：

一是以參加ITER計劃為契機，積極開展國際合作，高質量完成ITER采購包任務，確保ITER計劃順利實施，并全面掌握執行過程中產生的經驗、知識和技術；二是積極協調組織國內核聚變研究團隊，利用我國的HL-2A、EAST 以及HL-2M等平臺，培養參與ITER運行和實驗的技術力量與人才隊伍，并充分利用ITER，為我國聚變工程試驗堆設計建設與運行提供科學和技術支撐；三是瞄準設計建設聚變工程試驗堆，開展聚變堆總體設計、聚變堆芯關鍵技術研發、包層部件關鍵技術與系統研發，發展聚變能源開發的關鍵技術；四是建立健全我國聚變堆的核與輻射安全法規、導則和技術標準，建設和完善國家核聚變能源研發體系；最后一點就是要培養并造就一支穩定的高水平核聚變研發隊伍和聚變堆設計隊伍，培育和帶動一批企業全面參與聚變堆關鍵技術與部件設計制造。

總之，我們堅信，通過大家共同努力，“人造太陽”一定能閃耀在世界的東方，點亮我們的能源夢想。