用"人造太阳"解决能源危机,中科院呼吁建聚变工程实验堆
上海观察 2016-04-29 18:11:35
俗称“人造太阳”的可控核聚变，是一种有望永续解决人类能源问题的技术路线。在昨天举行的高温与高场超导材料及其应用技术研讨会上，中科院合肥物质科学研究院万元熙院士介绍了国际热核聚变实验堆（ITER）的最新进展，并建议启动建设中国聚变工程实验堆（CFETR），使我国有能力在2050年前后建成聚变电站，输出用之不尽的电能。
如今，人类能够实现不受控制的核聚变，如氢弹爆炸；也能够触发可控核聚变，但输入的能量大于输出或发生时间极短。全球科学家正在研究如何实现能维持稳态电流的可控核聚变，相当于在地球上建一个个“小太阳”。科技界已证实，在托卡马克（Tokamak）上开发可控核聚变能是可行的。托卡马克是一种利用磁约束实现核聚变的环形容器，由前苏联库尔恰托夫研究所在上世纪50年代发明。这种容器的中央是一个环形的真空室，外面缠绕线圈。通电时，托卡马克内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高温度，以达到核聚变目的。
ITER托卡马克示意图
为了建造一台耗资巨大的超导托卡马克，为“人造太阳”未来应用奠定基础，“国际热核聚变实验堆（ITER）计划”于上世纪80年代被提出。2003年1月，我国政府加入ITER计划谈判。2006年11月，我国与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国等七方签署共同建造ITER协定，工程位于法国卡达拉舍。
这是一个耗资数百亿美元的超大型国际合作项目，预计10年建成，总重超过23000吨。根据设计，其聚变功率达到40万—70万千瓦，一次放电聚变燃烧的维持时间为400—3000秒。“我们正在全力推进这个工程，在180公顷土地上，大部分建筑已开工，预计2025年建成放电，2030年氘氚运行。”万元熙说，ITER的主机装置重23000—25000吨，其中一半采用超导材料，为低温超导、高温超导材料生产商提供了机遇。
2006年11月21日，ITER计划联合实施协定在巴黎签署。新华社
然而在万元熙看来，ITER作为一个实验性工程有不足之处。其最大不足是有效燃烧时间太短，在14年的氘氚运行实验期内，氘氚燃烧时间仅占4%，导致不能充分开展未来聚变电站的材料、包层功能和重要部件的实验研究。另一大不足是绝大部分包层仅为屏蔽包层，导致没有足够的、具有实用价值的聚变能量输出。“因此，国际聚变界认为必须在设计和建造聚变电站前，建设和运行工程实验堆。”
中科院合肥物质科学研究院提出，我国在参与ITER的同时，应牵头启动CFETR项目，为建造原型聚变电站奠定物理工程技术基础。目前，该研究院已完成CFETR的工程概念设计，并设定了科学目标，包括：年有效“燃烧”运行时间大于等于50%，通过先进增殖包层实现氚自持和热能转换发电。CFETR受到了国内外同行的高度关注，许多国外专家希望到中国来工作。万元熙表示：“我们期望国家尽早决定正式开始CFETR的工程设计和关键部件预研，以便在2030年前后建成。由中国牵头这一项目，将使我国在聚变能开发领域引领全球。”
CFETR如果立项，也将大力推动我国超导材料研发和产业发展。上海超导科技股份有限公司副总裁洪智勇介绍，该公司生产的第二代高温超导材料已用于英国的托卡马克。他们将在市科委支持下，不断提高材料的性价比，争取今后为CFETR和聚变电站提供至关重要的超导材料。
题图：ITER工程在紧锣密鼓建设。 来源：网络
文/俞陶然