本报记者 桂运安

像太阳一样通过核聚变，源源不断地产生巨大的能量，是人类追求能源的梦想。近日，“中国聚变工程实验堆集成工程设计研究”项目启动会在中国科学技术大学举行，宣布中国聚变工程实验堆（CFETR）正式开始工程设计，中国核聚变研究由此开启新征程。按照发展路线图，到2050年，中国聚变工程实验堆实验成功，建设聚变商业示范堆，完成人类追求终极能源的梦想。

核聚变能到底是什么

核聚变能到底是什么，很多人可能并不是很清楚。实际上，我们几乎每天都在享用着天然的核聚变能，那就是太阳的光和热。作为太阳系的中心天体，太阳通过内部的核聚变，源源不断地传递着光和热。在能源短缺的时代，仿效太阳的原理，建造可控的“人造太阳”，源源不断地释放能量，是人类解决能源危机的不懈追求。

核能是人类历史上的一项伟大发现。1964年10月16日，我国第一颗原子弹试爆成功的消息震惊世界。 1967年6月17日，我国第一颗氢弹爆炸成功，距离第一颗原子弹爆炸成功仅仅2年零8个月。实际上，原子弹和当前世界各国的核电站，利用的就是核裂变技术；而氢弹采用的则是核聚变技术，氢弹的威力比原子弹大得多。

专家介绍，核裂变是一个大质量的原子核分裂成两个比较小的原子核，核聚变是小质量的两个原子核合成一个比较大的原子核，在核裂变和核聚变过程中都会释放出巨大的能量，而后者释放的能量更大。相对而言，核裂变虽然能产生巨大的能量，但远远比不上核聚变，裂变堆的核燃料蕴藏有限，不仅产生强大的辐射，伤害人体，而且贻害千年的废料也很难处理。核聚变释放的能量比核裂变更大，其放射性污染等环境问题也少。如氘和氚的核聚变反应，其原料直接取自海水，来源几乎取之不尽，因而是比较理想的能源取得方式。

“核聚变能是一种清洁能源，安全性高，不存在失控、核泄漏及核废料等安全问题。 ”中科院等离子体物理研究所研究员徐国盛介绍，与核裂变不同的是，核聚变的燃料和产物不具放射性，而且很容易通过取消核反应条件终止反应。每升海水中含30毫克氘，完全聚变所释放的能量，相当于燃烧340升汽油；地球上仅海水中就含有45万亿吨氘，足够人类使用上百亿年。

工程设计意味着什么

近日，中国聚变工程实验堆集成工程设计研究正式在中科大启动。 “这是我国自主设计和研制、以我为主联合国际合作的重大科学工程，我们将联合国内各个主要从事热核聚变研究的科研院所与高校，携手攻关全面开展聚变堆总体设计研究，为条件成熟时建造中国聚变堆奠定必要的设计基础。 ”中科大教授、国家磁约束聚变堆总体设计组组长万元熙院士表示。

中国国际核聚变能源计划执行中心主任罗德隆说，太阳的中心温度极高，气压达到3000多亿个大气压，在这样的高温高压条件下，氢原子的两个“同胞兄弟”——氘和氚聚变成氦原子核，并放出大量能量。实现受控热核聚变反应，至少要满足两个苛刻条件：第一，极高的温度，温度须达到5000万摄氏度以上；第二，充分的约束，高温等离子体须维持相对足够长的时间。

上世纪30年代，科学家就提出核聚变设想，当时认为可以很快实现聚变能的应用。然而，几十年过去了，相关研究并未达到预期。于是，合作研究、抱团突破成为各国的共识。目前，由欧盟、美、日、俄、中、韩、印七方共同承担的国际热核聚变实验堆（ITER）计划，是全球规模最大、影响最深远的国际科技合作项目之一。2003年2月，我国正式加入ITER计划谈判；2007年，国家批准设立“ITER计划专项”；2008年，我国全面开展ITER计划工作。目前，我国陆续承担了该计划18个采购包的制造任务，涵盖了ITER装置几乎所有的关键部件。

坐落于合肥科学岛上的全超导托卡马克“东方超环”，是世界首台全超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置。2017年7月，“东方超环”装置在世界上首次实现了5000万摄氏度等离子体持续放电101.2秒的高约束运行，创造了核聚变的世界纪录。这一里程碑式的突破，表明在稳态运行的物理和工程方面，我国的磁约束核聚变研究已经走在了国际最前沿。位于中科大西区的“科大一环”，是我国完全自行设计、自主研制集成的国际先进反场箍缩磁约束实验装置。 2年前，“科大一环”刚刚建成时就已显示出巨大的潜力：磁场可达7000高斯，等离子体电流可达1兆安培，电子温度可达600万度，放电时间可达100毫秒，引起了国际同行纷纷“点赞”。

万元熙院士表示，以实现聚变能源为目标的中国聚变工程实验堆，是我国聚变能研发必不可少的一环，他们将直接瞄准未来聚变能的开发和应用，力争建成世界首个聚变实验电站。 “中国聚变工程实验堆就是想通过一堆两期的设计，实现工程堆和示范堆的功能，为早日实现聚变能的应用奠定基础。 ”中科院等离子体物理研究所李建刚院士说。

何时能用上核聚变能

点亮一盏核聚变能的灯，不仅是中国科学家的梦想，也是全世界科学家的梦想。万元熙院士介绍，中国聚变工程实验堆计划分三步走完成“中国聚变梦”：第一阶段到2021年，开始立项建设；第二阶段到2035年，计划建成聚变工程实验堆，开始大规模科学实验；第三阶段到2050年，聚变工程实验堆实验成功，建设聚变商业示范堆，完成人类终极能源。

“从实验装置到实验堆、工程堆，再到原型电站，是中国磁约束聚变能发展的技术路线图。 ”李建刚院士透露，中国聚变工程实验堆一期工程采取类ITER的科学技术，目标是建成20万千瓦容量的工程实验堆；二期工程以自主创新为主，目标是建成大于100万千瓦容量的工程实验堆，探索示范堆先进安全的重大科学和技术问题，研究聚变堆材料、发电效率，开展聚变电站的安全和经济性研究，为我国独立自主大规模建设聚变电站奠定基础。 “中国聚变工程实验堆将填补ITER和聚变示范堆（DEMO）之间的科学技术差距，演示连续大规模聚变能安全、稳定运行的工程可行性。 ”

这一工程会采取哪些新技术？李建刚院士说，中国聚变工程实验堆将全面吸收ITER成功的设计和建设经验，采用低温高温超导磁体、高频微波技术、智能遥控、先进偏滤器、氚工厂等即将形成和有可能发展成熟的先进技术。 “这将是一个巨大的工程。 ”中科院等离子体物理研究所常务副所长宋云涛透露，中国聚变工程实验堆堆芯等离子体功率将是ITER的2倍；主机和28套大型辅助系统有约2000万个零部件，相当于7架波音777客机的零件总数；装置规模总重超过40万吨，相当于约5艘尼米兹级航母；磁体系统导体展开的话，总长超过10万公里。

近年来，以中科大、中科院等离子体物理研究所为代表的中国核聚变研究团队，取得了一系列重要成就和突破。目前，我国已依托中科大成立 “国家磁约束聚变堆总体设计组”。万元熙院士表示，这一工程设计研究将进一步发展聚变能源开发和应用的关键技术，推动该项目走向世界核聚变舞台的中央，并成为代表国家参与全球科技竞争与合作的重要力量。同时，该项目的实施将为国家“十三五”重大科技基础设施“聚变堆主机关键系统综合研究设施”项目提供设计和建设基础，进而推动合肥综合性国家科学中心能源科学领域和核能创新平台的快速建设。

　　题图：中科院合肥物质科学研究院“人造太阳”全超导托卡马克实验装置“东方超环”。

本报记者 徐旻昊 摄 安徽日报2017年12月26日

http://epaper.anhuinews.com/html/ahrb/20171226/article_3626207.shtml