我國核聚變之路任重而道遠

況冬　陳晨

眾所周知，核聚變能資源無限，能夠和諧高效地解決人類社會的能源問題、環(huán)境問題，推動人類社會的可持續(xù)發(fā)展，是人類的終極能源目標之一。核聚變能源的誘惑力如此之大，以至于世界各國都不愿只做旁觀者，特別是俄羅斯、美國、日本和歐盟等一些重要國家和國際組織，早已著手布局。我國也不甘人后，數(shù)十年如一日地發(fā)展研究，開啟了核聚變研究的創(chuàng)業(yè)之旅與逆襲之路。

我國核聚變的創(chuàng)業(yè)之旅

從20世紀50年代開始，很多國家都對核聚變研究青睞有加。美國、蘇聯(lián)、歐共體、日本等或是為鞏固大國地位，或是為解決能源短缺問題，早早地開始了對核聚變的研究。我國的受控核聚變研究起步也比較早，可以追溯到20世紀50年代后期，并逐步建成等離子物理研究所和西南物理研究所2個專業(yè)單位，專注于受控核聚變的研究。

隨著蘇聯(lián)T-3托卡馬克裝置開啟了核聚變研究領域的托卡馬克時代，我國科學家注意到這一巨大成就，開始建立托卡馬克研究課題，并于1974年建成我國第一臺鐵芯變壓器托卡馬克裝置CT-6，自此走上了核聚變的創(chuàng)業(yè)之旅。

等離子體研究所先后對CT-6裝置進行了2次改造，并將裝置分別命名為“HT-6A”和“HT-6B”，通過研究取得了初步成果。在積極改造裝置的同時，等離子體研究所也在不斷創(chuàng)新，于1980年設計了一個更大的核聚變實驗裝置HT-6M。通過鑒定，該裝置性能優(yōu)良，達到同類裝置的國際水平，充分表明等離子體研究所已經(jīng)具備建造中型受控核聚變裝置的能力。

與此同時，西南物理研究所取得的研究成果也頗豐。1984年，該所研制出當時我國規(guī)模最大的托卡馬克裝置——中國環(huán)流器一號（HL-1）。1995年，該所將其升級為等離子體主要參數(shù)更高的HL-1M。2002年，該所又將德國贈送的托卡馬克ASDEX改造成我國第一個具有偏濾器位形的中國環(huán)流器二號A（HL-2A），并在國內(nèi)首次實現(xiàn)了偏濾器位形放電。從CT-6到HL-2M（HL-2A的升級版），我國的常規(guī)超導托卡馬克裝置規(guī)模越來越大，參數(shù)越來越高，取得了令人矚目的成績。同時，該研究所也培養(yǎng)了大批的受控核聚變相關科研人才，為我國的核聚變研究奠定了基礎，積蓄了力量。

CT-6

我國核聚變裝置在自主研制的同時，也積極引進改造，雙管齊下。蘇聯(lián)建造的T-7是世界上第一個超導托卡馬克裝置，它的一些關鍵設備當時在國內(nèi)還無法制造。蘇聯(lián)在表明了贈送的意愿之后，等離子體研究所在霍裕平所長的帶領下，認真分析了國際核聚變發(fā)展的趨向，認為超導磁體是磁約束核聚變裝置發(fā)展的必由之路，于是研究所決定抓住機遇，停止在建的非超導托卡馬克項目，采用以易貨貿(mào)易的方式引進T-7裝置，并集中全所主要的人力和物力對T-7裝置及其低溫系統(tǒng)進行根本性的改造，在較短時間內(nèi)將一個原本不具備物理實驗功能的T-7裝置改造成能夠開展多種實驗的先進裝置HT-7。與常規(guī)超導托卡馬克不同的是，它的縱場線圈采用鈮鈦（NbTi）超導體繞制而成，電阻為零，即使通過很大的電流線圈也不會發(fā)熱。

一般來說，建造HT-7這樣的裝置正常投資要數(shù)十億元，而這次僅僅花費了約2億元，就建成了當時非常先進的大型超導脈沖核聚變研究裝置，讓我國步入了世界核聚變研究的先進水平。

HT-7裝置總共運行了18年，在此期間進行了將近20輪的科學實驗，總共放電10萬多次，取得了多項工程和物理上的重要成果。2003年3月，該裝置獲得了超過1分鐘的等離子體放電，成為第2個能產(chǎn)生分鐘量級高溫等離子體放電的托卡馬克裝置，這大大提升了我國在磁約束核聚變研究領域的地位。2008年3月，HT-7裝置再次創(chuàng)下新紀錄，連續(xù)重復實現(xiàn)了長達400秒的等離子體放電，這是當時國際同類裝置中持續(xù)時間最長的。2012年10月，HT-7裝置正式“退役”。

HT-7裝置不僅是我國第一臺超導托卡馬克裝置，而且也是世界上少有的幾個超導托卡馬克裝置之一。它的成功建設和運行，為中國的核聚變事業(yè)全面走向國際舞臺開拓了一條創(chuàng)新之路，使我國的核聚變研究躋身于世界核聚變研究的前沿。

我國核聚變的逆襲之路

在成功建設HT-7超導托卡馬克裝置之后，中國科學院等離子體物理研究所又提出建設全超導托卡馬克裝置的構(gòu)想。當時，國際上已經(jīng)建成的超導托卡馬克裝置只有縱場磁體部分是超導材料，由于造價太高、制造難度大等原因，并沒有制造全超導托卡馬克裝置的先例。而未來的核聚變電站需要長時間連續(xù)穩(wěn)態(tài)運行，要求裝置的所有磁體都由超導線圈繞制。這充分說明磁約束核聚變的發(fā)展方向是超導托卡馬克，故而建設全超導托卡馬克裝置勢在必行。

于是，中國科學院等離子體研究所提出了“HT-7U全超導非圓截面托卡馬克裝置建設”計劃，即“東方超環(huán)”——EAST。等離子體研究所克服重重困難，獨立完成物理和工程設計，自主研發(fā)了所有的關鍵部件。裝置的內(nèi)部線圈全部采用了超導材料，這是世界首臺全超導非圓截面托卡馬克裝置。項目從開工建造到完成總裝，耗時約5年，于2006年完成工程調(diào)試，并實現(xiàn)首次放電。2012年，EAST獲得411秒2000萬攝氏度高溫等離子體持續(xù)放電，創(chuàng)造該類型裝置連續(xù)運行最長時間的世界紀錄。2017年7月，EAST實現(xiàn)了穩(wěn)定的101.2秒長脈沖約束等離子體運行，是世界上第一個實現(xiàn)百秒量級的裝置。EAST的成功建造和運行，為我國磁約束核聚變研究的下一步計劃奠定了堅實的物理、工程技術和人才隊伍基礎，同時也大大推進了人類核聚變事業(yè)的發(fā)展，受到國際核聚變界的高度評價。

在自我發(fā)展的同時，我國也注重加強國際合作。2003年，我國正式加入ITER計劃，并承擔了一部分ITER裝置的設計和建造工作。作為ITER計劃7個合作方之一，我國承擔了其中約9%的科研建設任務，同時享有5%以上的職員配比。隨著ITER計劃的推進和我國科技實力的增強，這一比例在不斷上升。

HL-1

HL-1M

中國環(huán)流二號A（HL-2A）

中國聚變工程實驗堆

HT-7

EAST作為最“接近”于ITER的托卡馬克裝置，與ITER有類似的先進非圓截面偏濾器磁場位形，并具有一體化設計的極向場系統(tǒng)、以射頻波加熱為主等特性。這些特性使得EAST成為對ITER關鍵科學和技術問題進行實驗驗證的平臺，大大降低了ITER的風險。以EAST為依托，我國對于ITER的建設和運行將有十分重要的貢獻。全面參與ITER計劃，有利于我國磁約束核聚變相關研究的“走出去”和“引進來”，促進我國核聚變研究實現(xiàn)跨越式發(fā)展。

我國在參與建設ITER的同時，也在籌劃建造新一代的超導托卡馬克聚變工程實驗堆——CFETR，它是聚變堆發(fā)電從實驗堆過渡到原型電站不可或缺的工程堆。與ITER相比，未來CFETR能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)態(tài)或長脈沖“燃燒”等離子體，還能夠?qū)崿F(xiàn)氚的自給自足。與EAST不同的是，CFETR正逐步走向?qū)嵱没闇柿宋磥砭圩兡艿拈_發(fā)和應用。我國計劃建成世界首個聚變實驗電站，并在2050年實現(xiàn)核聚變商業(yè)化，完成人類終極能源的夢想。

EAST裝置的真空抽氣系統(tǒng)

CFETR項目的實施，對于解決能源危機問題具有重要意義，同時對于我國完全掌握設計和建造下一代聚變堆的技術有著重要的戰(zhàn)略意義。在縮小ITER建設延遲對我國核聚變研究進度影響的同時，可以全面消化吸收ITER的關鍵技術，掌握聚變堆相關的物理工程技術。這個項目將快速推動我國走向世界核聚變領域的中央，并助力中國技術引領世界這一夢想的實現(xiàn)。

我國核聚變的未來之途

在半個多世紀“人造小太陽”的研究征程中，世界各國建造的托卡馬克實驗裝置已逾百座，放電時間從幾微秒到數(shù)百秒不等，人類的核聚變研究取得了巨大的進步和發(fā)展。但距離實現(xiàn)核聚變能發(fā)電的目標還有很長的路要走。

在近半個世紀的時間里，我國的核聚變研究之路經(jīng)歷了從無到有、從弱到強、從跟隨到領跑的歷程。回首過去，數(shù)代托卡馬克裝置的成功建造和運行，為未來穩(wěn)態(tài)、先進聚變實驗反應堆的建成奠定了良好的工程技術和物理基礎。放眼未來，我國核聚變科研團隊以卓越的眼光繪制了發(fā)展藍圖，通過參加和支持ITER項目，以及推進CFETR項目進程，我國將實現(xiàn)開發(fā)核聚變能的跨越式發(fā)展，并為最終實現(xiàn)核聚變能的實際應用作出重要貢獻。

CFETR項目的推進，不但能為我國進一步獨立自主地開發(fā)和利用核聚變能奠定堅實的科學技術與工程基礎，而且使我國率先利用核聚變發(fā)電、實現(xiàn)能源的跨越式發(fā)展成為可能。我國將繼續(xù)引領磁約束核聚變研究朝著更高的科學目標邁進，向核聚變能的和平開發(fā)利用目標更進一步。

“路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索”。核聚變之路雖然充滿了荊棘與坎坷，但我們相信，未來核聚變的發(fā)展前途一片光明，總有一天我們會成功建成核聚變商業(yè)電站，以供未來人們生產(chǎn)和生活所用。同時，我們也殷切地希望，我國能夠早日實現(xiàn)核聚變商業(yè)化，率先讓“人造小太陽”之光點亮世界，造福人類。