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讲座｜核聚变讲座（三）成功举办

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AICF秘书处 AICF 

（巴黎时间）3月27日下午，作为核聚变系列讲座的第三期，由中国旅法工程师协会、全法中国科技工作者协会和中法信息科学与工程协会联合主办的《核聚变讲座（三）：中国磁约束核聚变研究进展》通过线上形式成功举行。

往期回顾：

核聚变系列讲座（二）：可控核聚变与能源

核聚变系列讲座（一）：ITER计划的历史、最新进展和展望

众所周知，中国的磁约束核聚变研究已经走在了世界的前列。本次讲座中，大连理工大学等离子体科学与技术中心副主任桑超峰教授，不仅详尽介绍了目前核聚变研究的进展和主要研究团队，更为我们揭开前两次报告都谈到过的“东方超环(EAST）”系统等中国核聚变研究装置的神秘面纱。同时，桑超峰教授介绍了中国核聚变研究的主要机构以及人才需求，并就大家感兴趣的问题作出了回答。

桑超峰教授简介

 

桑超峰教授，为大连理工大学教授，博导，国家优青；大连理工大学等离子体科学与技术中心副主任，国家科技专家库在库专家等。曾获大连市首届青年科技之星，辽宁省自然科学学术成果奖、美国DIII-D国家核聚变实验室奖章。承担国家重点研发计划（课题）、国家自然科学基金等15余项科研项目。主要从事磁约束核聚变边界等离子体物理研究，在托卡马克偏滤器设计、边界等离子体模拟方面做出多项贡献。在Nuclear Fusion等核聚变主要期刊发表论文80余篇。

资源无限的清洁能源

桑超峰教授表示，核聚变比核裂变产生的能量更大，造成的核污染影响更小，没有爆炸的危险。同时，地球上蕴藏的核聚变能足够人类使用几百亿年。

为什么核聚变比核裂变造成的核污染影响更小？桑教授解释道：核聚变实际上在寿期后（核电站设定寿命到期后）也不是完全没有放射性废物的，聚变装置使用的钢材以万吨计，还有其他的各种材料，在如此高通量高能量的中子环境下被辐照，会产生很多很多的活化（感生放射性），这些放射性的辐射强度也很高，只不过存在的时间要短很多（百年量级）。

 

核聚变研究了60余年，取得了很大进展，积累了坚实的工程和物理基础，发展速度接近CPU芯片速度。

然而，核聚变也存在一些问题，例如磁流体的不稳定性，热和粒子排除问题，中子辐照损伤，长脉冲放电，自持燃烧和氚自持等。

聚变反应的实现方法

桑超峰教授介绍，核聚变燃料的温度、密度和约束时间三者的乘积大于一个特定的值，就可以发生核聚变反应。

劳森判据

地球的万物之源——太阳就是三要素兼具：万有引力让它的约束时间足够长，它的温度高，密度也相对比较高，因此太阳上自然而然地实现了核聚变。

理论上讲，人类实现核聚变有温度、密度和约束时间三个路径。磁约束以提高温度为路径，是目前公认比较容易实现的方向。即使密度没有那么高，约束时间也尽可能长的情况下，把温度提高到太阳温度的十倍或者更高，这样的话也能创造核聚变实现的条件。

托卡马克装置

托卡马克(Tokamak)是由俄罗斯科学家发明的利用变压器原理产生等离子体，并由强磁场约束及控制等离子体的装置。

Tokamak是由俄文“环形”、“磁场”及“容器”的前几个字母组成。其主要部件组成为：真空室、纵场（环向场）磁体、极向场（垂直场）磁体等。基本原理是使用磁场将带电粒子束缚在环形真空室，使得带电粒子不直接同器壁接触，从而保证聚变能够发生且器壁不被融化。

世界主要托卡马克有ITER、JET，多国合作的JT-60SA、美国的DIII-D、中国的东方超环和环流器二号、德国的ASDEXUpgrade、法国的WEST、韩国的Kstar和英国的MAST等。另外，还有一些私人公司和企业投资的托克马克项目。

JET（欧洲联合环）

The Joint European Torus（JET），现在世界上最大的托卡马克装置，目前全世界唯一能够使用氘和氚这种混合燃料进行运行的装置，它位于英国牛津郡卡勒姆（Culham）的英国原子能管理局基地。由欧洲聚变计划EUROfusion的成员共同设计和建造，自1983年开始运营，平时由英国牛津的卡勒姆聚变能源中心负责技术运营。

在2021年12月21日，受控核聚变能量的新记录：欧洲联合环（JET）中，将氢的同位素氘和氚加热到了1.5亿摄氏度并稳定保持了5秒钟，同时核聚变反应发生，原子核融合在了一起，释放出59兆焦耳（MJ）的能量。

JET采用与ITER相同的壁材料，在比太阳中心高十倍的温度下，实现了产生创纪录水平的核聚变能量。

ITER计划

国际热核聚变实验堆计划（International Thermonuclear Experimental Reactor），简称“ITER”计划，旨在通过建造反应堆及核聚变装置，证明核聚变可在工业尺度可控，并可实现纯产能输出（输出能量大于输入能量），也就是把“人造太阳”从梦想变成现实。

这个通过人工方式实现受控热核聚变的“人造太阳”计划是规模仅次于国际空间站的国际大科学工程计划，由中国、欧盟原子联盟（包括瑞士和英国）、印度、日本、韩国、俄罗斯、美国七方共同参与实施。

中国承担ITER工程总造价130亿欧元的近10％，并在10年内要投资近70亿人民币用于支持ITER计划。其中近80%是以实物部件、技术支撑、人才培养的形式体现。国家每年从ITER计划中拿出部分资金资助国内研究所和高校开展与ITER计划相关的基础研究，培养聚变人才。

东方超环EAST托卡马克

Experimental Advanced Superconducting Tokamak(EAST)，由中国科学院等离子体所自主设计、研制并完全拥有其知识产权是世界首个全超导托卡马克装置。其主要特点为：全超导长脉冲，全金属器壁（偏滤器钨、第一壁钼），ITER-like偏滤器（灵活的位形）和多种加热方式。

近年来，通过中国国家大科学工程项目辅助加热系统的建设和系列的升级改造，拓展了EAST装置的运行区间，大幅提升了装置运行能力。

装置自2006年建成并运行至今，已经开展了16轮物理实验，总放电次数超过10万次，先后创造了多项托卡马克运行的世界纪录。

2021年12月30日，EAST装置实现了1056秒的长脉冲高参数等离子体运行。

目前，EAST装置是国际上唯一具备与ITER类似加热方式和偏滤器结构的磁约束核聚变实验装置，是唯一能在百秒量级条件上全面演示和验证国际热核聚变实验堆ITER未来400秒科学研究的实验装置。EAST装置上的系列创新研究成果和技术积累，为中国自主建造聚变工程实验堆提供了坚实的科学技术基础。

中国环流器二号M装置HL-2A

中国环流器二号（HL-2A）是我国第一个具有偏滤器位形的大型托卡马克装置，利用德国ASDEX装置主机3大部件改建而成。该装置具有由相应的线圈和靶板组成的偏滤器，可以运行在双零或单零偏滤器位形。这对开展高约束模（H模）物理和边缘物理研究及提高等离子体参数是非常关键的。该装置1999年正式动工建设，2002年获得初始等离子体。

中国环流器二号M装置是中国规模最大、参数最高的先进托卡马克装置，是中国新一代先进磁约束核聚变实验研究装置。

2020年12月4日14时02分，中国环流器二号M装置（HL-2M）在成都建成并实现首次放电。

中国环流器二号M装置采用更先进的结构与控制方式，等离子体体积达到国内现有装置2倍以上，等离子体电流能力提高到2.5兆安培以上，等离子体离子温度可达到1.5亿度，能实现高密度、高比压、高自举电流运行，是实现中国核聚变能开发事业跨越式发展的重要依托装置，也是中国消化吸收ITER技术不可或缺的重要平台。

国内磁约束发展现状

基地建设：

  • EAST长脉冲实验处于国际领先，未来10年唯一模拟ITER400秒高性能实验

  • HL-2M已建成，与EAST互补，开展基础托卡马克物理实验

  • 大规模理论模拟已具雏形，通过国际合作和自主发展，5年后基本满足CFETR科学实验模拟的需求

  • 中核总与九院形成核工程的强有力支撑

基础研究：

  • 超过10个高校建立了多种等离子体物理和聚变技术的研究平台

  • 超过20所高校承担ITER专项课题，在理论与模拟、实验、关键技术方面开展研究

  • 人才培养：

  • 每年超过300研究生加入聚变研究，高校、专业院所、国外机构的多途径培养人才的机制已经趋于完善。

  • 10年内留在聚变界的物理和技术人才有望超过1000。

  • 聚变材料：

  • 裂变、聚变中子源

  • 开展全面的聚变材料研发

中国聚变工程试验堆（CFETR）

2017年11月29日，在“ITER十年——回顾与展望”会议上，全球聚变界的三十多位顶尖级科学家，签署“北京聚变宣言”，强烈支持中国加强聚变能发展，支持中国建设“中国聚变工程实验堆”。这座热核聚变实验堆有望成为通向未来核聚变电站的桥梁。

CFETR目标是通过一堆分期实施的设计，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。

  • 通过5年（2021）左右设计、试验、预研；8-10年（2035）聚变堆建设；12-15年（2050）聚变堆科学实验三个阶段的发展，可以逐步实现我们利用聚变能的梦想，助力中华民族的复兴大业。

  • 2021年之前，集中国内外的优势力量，将CFETR工程设计、针对性的科学实验、关键技术预研密切融为一体，建设一支高水平队伍，为建堆打下基础。

国内核聚变研究人才需求

国内主要核聚变研究单位

  • 中国科学院等离子体物理研究所：安徽合肥，拥有中国最大的托卡马克装置EAST，国内研究聚变的最主要单位

  • 核工业西南核物理研究院：四川成都，隶属于核工业集团，拥有HL-2A托卡马克（引进德国Asdex），HL-2M已建成

  • 中国科学技术大学：主要开展托卡马克实验与理论研究，国内最早开展高温等离子体研究之一，拥有KTX反场箍缩实验装置。

  • 华中科技大学：拥有美国德州大学奥斯丁分校共建的聚变实验装置J-TEXT，在等离子体破裂等方向做出较为突出的研究进展。

  • 大连理工大学：聚变等离子体理论、边界等离子体等研究

  • 浙江大学：拥有聚变理论与模拟中心，主要从事聚变理论和模拟研究工作。

  • 北京航空航天大学：主要从事核材料相关研究。

国内主要核聚变研究单位

  • 北京大学：主要从事等离子体理论模拟相关，核材料

  • 清华大学：球马克实验，等离子体理论模拟

  • 中科院物理所：等离子体理论模拟

  • 复旦大学：等离子体与壁相互作用，原子分子物理

  • 东华大学：等离子体模拟、实验数据分析

  • 四川大学：等离子体相关

  • 西南交大：仿星器

  • 电子科大：等离子体实验诊断

  • 南华大学：等离子体模拟等

  • 哈尔滨工业大学：等离子体与壁相互作用

  • 材料相关：北科大、华科、厦门大学、九院、金属所、中科院固体所、兰州化学物理研究所等

大连理工大学核聚变研究

大连理工大学物理学院始建于1949年，物理学具有一级博士点和博士后流动站，是辽宁省重点建设一流学科和学校双一流重点建设学科。物理学ESI国际排名长期保持全球前1%。本科专业“应用物理学”进入国家首批一流本科专业建设。

“双万计划”和“强基计划”

物理学下设五个二级学科：等离子体物理、“等离子体物理”学科是国家重点学科（全国仅有两所高校：大连理工大学、中国科学技术大学）；是三束材料改性教育部重点实验室的重要支撑学科

教师53名，其中教授24名，副教授及高级工程师21名。研究生约170名。

磁约束核聚变研究：

  • 磁约束等离子体物理

  • 托克马克边缘等离子体物理

  • 托克马克等离子体与壁相互作用

本次讲座收到近百位来自中国、法国及欧洲其他国家的留学人员和专业人士的报名，中国旅法工程师协会、全法中国科技工作者协会和中法信息科学与工程协会真诚感谢桑超峰教授抽出宝贵时间给大家作的精彩而全面的讲座，以及对参会者提出的问题的详细解答；感谢世界各地关注和参与本次讲座的参会人员；感谢协会全体工作人员为此次活动精心的准备和策划。

 

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