中油資本近日發佈公告,擬出資6.55億元,與控股股東中國石油天然氣集團有限公司、中國石油天然氣股份有限公司以自有資金按原有持股比例共同向參股公司中國石油集團崑崙資本有限公司進行增資,用於投資可控核聚變項目。此次增資合計出資金額爲32.75億元。
這並非中國石油首次涉足核聚變領域。早在去年,聚變新能(安徽)有限公司發生工商變更,新增股東中國石油集團崑崙資本有限公司、合肥科學島控股有限公司,兩者各自出資29億元、持股比例均爲20%。這意味着中國石油集團正式入局核聚變領域,此舉引發了業界的廣泛關注。
可控核聚變被稱爲人類的“終極能源”。中國工程院院士葉奇蓁曾表示,核聚變能是顛覆性的核能技術,一旦攻克將爲人類提供取之不盡的能源,聚變堆也是世界各大國高度合作與競爭的技術領域,同樣也是我們必須要堅持發展的核能技術。
光明日報刊文:“人造太陽”,何時成真
6月26日,《光明日報》16版刊登了文章《“人造太陽”,何時成真》,文章梳理了國內託卡馬克研究的歷史、現狀與未來展望,同時還針對兩個問題作了專門的回答。作者是中國科學院自然科學史所張志會、中國科學院等離子體物理研究所蔡其敏。
以下是報道原文:
可控核聚變,被譽爲“終極能源”,其原料幾乎取之不盡,且沒有污染——核聚變生成物爲氦,不會產生高放射性核廢料。從自主建造全球首臺全超導託卡馬克核聚變實驗裝置EAST到深度參與國際熱核聚變實驗堆ITER,從夸父大科學工程CRAFT到緊湊型核聚變裝置BEST,以及預研中的CFEDR,中國核聚變研究正從追趕者躍升爲領域核心力量。
核聚變能,人類追求的“終極能源”
核聚變的原理是模擬太陽發光發熱,利用氫的同位素氘和氚的核聚變反應,持續穩定地釋放出巨大能量。可控核聚變實驗裝置往往被稱爲“人造太陽”。溫度和密度以及約束時間三者乘積,即“聚變三乘積”,是實現核聚變點火的關鍵指標。迄今爲止,磁約束聚變和慣性約束聚變是實現可控核聚變的兩種關鍵技術路徑,其中磁約束託卡馬克裝置最爲主流。
20世紀五六十年代,各國科學家積極研究並探索多種可控核聚變技術方案,其中,託卡馬克技術以其出色的性能最受青睞。1958年,世界上第一臺託卡馬克裝置T-1在蘇聯成功建成並開始運行。我國核聚變研究開始迅速起步。20世紀60年代,我國抽調多家單位人員在四川樂山組建585所(中國核能集團西南物理研究院的前身),從事受控核聚變研究。此後,585所陸續研製“環流”(HL)系列常規導體託卡馬克裝置。
20世紀60年代中期,蘇聯科學家依託第三個託卡馬克裝置T-3成功實現1000萬度等離子體放電,這項突破性進展引發國際核聚變界的高度關注。時任中國科學院物理研究所研究員的陳春先,以敏銳的洞察力率先關注到該技術突破。1972年,陳春先主持研製的CT-6裝置正式竣工,標誌着我國首臺託卡馬克裝置的問世。1978年9月,中國科學院等離子體物理研究所在合肥成立,在攻克多項技術難關後,相繼研製出HT-6B等小型實驗裝置,並於1984年底建成我國首個空芯變壓器託卡馬克裝置HT-6M。
20世紀80年代初,蘇聯研製的全球首個超導託卡馬克裝置T-7正式投入運行,這一裝置開創性地通過超導技術,構建強磁場約束高溫等離子體的新路徑,首次驗證了超導磁體技術應用在磁約束聚變裝置上的可行性,爲以後超導磁約束裝置的發展奠定了第一塊基石。彼時,我國科研機構中,等離子體所與585所均致力於常規託卡馬克裝置研究。
20世紀90年代,等離子體所接收了蘇聯T-7裝置的核心組件,並在霍裕平、萬元熙、翁佩德、邱勵儉等科學家的努力下,基於我國科研實際需求對其實施系統性技術改造,包括設計建造新的真空室、將T-7的48餅縱場線圈改造成24餅線圈等,大幅度提升了HT-7裝置的性能。2002年,HT-7裝置首次獲得了上千萬度分鐘級長脈衝等離子體運行的物理成果。在接下來的幾年裏,HT-7不斷延長放電脈衝,最長脈寬達400秒,刷新了當時託卡馬克穩態運行時長的世界紀錄。
20世紀90年代,等離子體物理所主持建設了全球首個全超導託卡馬克裝置HT-7U(後更名爲EAST)。
自2006年投入運行以來,EAST研發團隊聚焦託卡馬克穩態高性能等離子體前沿研究領域,系統攻克了等離子體芯部與邊界物理集成、高功率加熱系統注入耦合、第一壁材料排熱、精密控制系統構建等重大科學難題與工程技術瓶頸。截至目前,累計完成等離子體運行實驗次數逾15萬次,持續優化裝置運行參數,實現長脈衝高約束模等離子體運行性能的階躍式提升,先後突破60秒、100秒、400秒等關鍵時間閾值。2025年1月20日,裝置成功實現億度高約束模等離子體1066秒穩態運行,刷新託卡馬克裝置運行時長世界紀錄。
憑藉前沿科研成果與技術創新體系,EAST獲得國際科學界高度評價。依託建制化開放管理模式,該平臺現已面向全球50餘個國家開展包括聯合實驗、技術攻關及人才培育在內的全方位國際合作。如今,EAST作爲中國自主研製的“人造太陽”,已成爲全球性開放共享科研平臺。
我國積極參與國際核聚變研究,話語權逐漸提升
在中國核聚變研究一步一個腳印前行時,國際核聚變研究也在推進。20世紀80年代,已建成運行的美國TFTR、歐洲聯合環(JET)、日本JT-60等大型託卡馬克裝置的物理參數相比之前的中小型裝置有大幅提升,但還是不能達到聚變點火的要求。
在此背景下,實現聚變點火的科研重心轉向依託下一代裝置。1985年,基於美蘇兩國共同倡議,歐共體(現稱“歐盟”)、日本等四方聯合發起國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃。ITER同樣採用全超導託卡馬克技術路線,旨在通過多國協同攻關,建設具備實現大規模聚變反應能力的實驗堆,系統驗證人類和平利用核聚變能的科學原理與工程可行性。
中國於2006年正式加入ITER。等離子體所不僅承擔了ITER計劃分配給中國的近75%的研發任務,更通過自主創新突破多項技術瓶頸。而EAST已成爲ITER計劃最重要的實驗驗證平臺和典型“衛星工程”。
2017年,ITER主機安裝工程啓動國際競標時,等離子體所聯合中國核電工程有限公司、核工業西南物理研究院及法馬通核電服務有限公司等組建中方聯合體,攻克了ITER託卡馬克主機超導磁體系統、磁體饋線系統總裝技術和多項關鍵部件的研製裝配難題,按時按質按量交付採購包任務。2019年,中方聯合體正式與ITER組織簽署TAC-1安裝合同,這是ITER託卡馬克裝置核心設備的安裝工程。這些突出表現,顯著提升了我國在聚變領域的國際話語權,中國團隊承接的工程任務範圍也不斷擴展。
ITER項目雖然原定於2025年完成,但最新進度規劃顯示,ITER的首次等離子體放電時間一拖再拖,目前已調整至2034年。
BEST,有望點亮人類核聚變的“第一盞燈”
2016年,基於深度參與ITER累積的大科學工程經驗,中國提出重要戰略構想:建設新一代聚變工程實驗裝置——中國聚變工程實驗堆(CFETR),其工程規模與核心參數指標方面甚至高於ITER。
這只是第一步。中國核聚變研究致力於實現聚變能開發“三步走”戰略——從實驗堆到示範堆直至商業堆的遞進式突破,目標是在2050年實現核聚變能商業化。目前,隨着項目定位升級,CFETR已正式更名爲CFEDR——中國聚變工程示範堆。從字母T到D的變化,意味着其定位已從實驗堆轉爲聚變示範堆建設。
項目啓動時,國際上的測試平臺在大型部件檢測與高參數實驗方面已顯現侷限性,爲配套CFEDR的實施,我國同步啓動夸父大科學工程(CRAFT)。作爲全球綜合性的聚變科研平臺,CRAFT主要承擔兩項核心使命:其一是爲未來聚變堆研製主機系統組件,其二是通過技術攻關全面掌握下一代聚變堆關鍵技術體系,培養專業技術人才隊伍,最終實現聚變裝置全系統國產化目標。
按規劃,CRAFT項目將於2025年全面建成,屆時將具備全球高參數、功能完備綜合性研發測試一體化平臺的能力,爲我國聚變示範堆工程提供關鍵技術和裝備支撐。
由於未來反應堆的建設規模較大,基於現實條件,中國科研團隊審慎研判,提出建設緊湊型聚變能實驗裝置(BEST)的戰略規劃,作爲EAST裝置的技術迭代與ITER計劃的重要銜接。科研團隊充分運用人工智能與先進材料技術,讓BEST較EAST更爲先進,性能也進一步提升。BEST已於2025年5月1日啓動工程總裝,我國核聚變研究由此從基礎科學研究邁向工程驗證階段。
現在CFEDR已全面開展預先研究和設計,有望在不久的將來立項。在驗證工程上的所有技術可行性後,我國將開始建設CFEDR這座真正能產生電能的示範堆發電站。
從EAST的科學驗證到BEST演示發電,從深度參與ITER建設到CRAFT平臺建設,再到未來推動CFEDR工程示範堆立項,我國正在爲“人造太陽”的早日應用持續接力。同時,在大科學裝置的設計、建造和運行過程中,帶動了所需的超導材料、低溫系統、大功率電源等系統的研發和高端裝備製造的技術革新,實現了從聚變原材料到產品的自主供應,徹底擺脫外部依賴。
核聚變研究並非坦途,期待國內外學術界能凝心聚力,一同突破聚變能源革命的技術瓶頸,加速推進商業化進程,以期早日實現“終極能源”的探索目標,讓“人造太陽”照亮人類的未來之路。
在後續的“你問我答”環節,二人分別就熱門話題進行回答:
問:核聚變會產生很高溫度,這個溫度是如何測量出來的?
張志會:核聚變產生的溫度可達到數百萬甚至上億攝氏度,遠超常規溫度計的測量範圍。科學家通過以下間接方法測量:一種是光譜分析。高溫等離子體會發射特定波長的光(如X射線或可見光),通過分析這些光譜的強度、頻移(多普勒效應)或展寬(斯塔克效應),可以推算等離子體的溫度和密度。第二種是湯姆遜散射。用激光束照射等離子體,散射光的頻率變化與電子溫度直接相關,這是最精確的測量方法之一。第三種是中性粒子分析。測量從等離子體逃逸的中性粒子的能量分佈,反推離子溫度。
問:這麼高的溫度能讓絕大多數材料融化,可控核聚變實驗是怎麼在實驗室裏完成的?
蔡其敏:在覈聚變實驗裏,爲實現可控性,需運用特定技術對高溫等離子體進行約束,防止其直接觸碰容器材料。磁約束(如託卡馬克)中,藉助超導磁體生成的強大磁場,令帶電粒子沿着磁力線做螺旋運動,懸浮於真空腔內,從而不與器壁相接觸。慣性約束(如激光聚變)時,採用高能激光或離子束瞬時壓縮靶丸,讓聚變在極短時間(納秒級)內完成,使材料來不及熔化。第一壁材料是聚變裝置內高溫等離子體與反應堆結構之間的首道物理屏障,既要阻止等離子體接觸真空室壁材料,又要承受等離子體輻射帶來的極端熱負荷,以及聚變產物高能中子和帶電粒子的轟擊,防止材料受損。第一壁後方設有冷卻管道(如氦氣或者水循環),以迅速導出熱量。