Caixin
Sep 28, 2020 03:25 PM

特稿 | “人造太阳”里的中国角色 In Depth: Experimental International Reactor Powers China’s Dreams of Limitless Energy (Chinese)

7月28日,国际热核聚变实验堆(ITER)在法国开启组装工作。
7月28日,国际热核聚变实验堆(ITER)在法国开启组装工作。

To view the English version of this article, click here.

经过近15年的延宕,当地时间7月28日,承载着人类“人造太阳”梦想的国际热核聚变实验堆(ITER)在法国开启组装工作。8月31日,在法国南部卡达拉舍,ITER托卡马克装置杜瓦下部筒体吊装工作圆满完成。这是ITER计划重大工程安装启动仪式后的第一个重大部件安装。

ITER计划是当今世界规模最大、影响最深远的国际大科学工程之一,目的是通过建造反应堆级核聚变装置,验证和平利用核聚变发电的科学和工程技术可行性。在高达180亿欧元的项目总投入中,欧盟作为东道主出资45%,美国、中国、日本、俄罗斯、印度和韩国各出资9%。

半个世纪前,当美苏两国前领导人里根和戈尔巴乔夫决定结束冷战,携起手来探索人类未来核能和平利用时,肯定没想到这个热核聚变实验反应堆做起来有那么难。技术上的困境其实不是最大障碍,各参与方之间的扯皮才是最大问题。当前国际形势又出现了新的变化,在一个逆全球化大行其道的时代,如何把ITER项目继续执行下去,是项目面临的一大问题。

ITER项目汇集了全球35个伙伴国家的力量,这些国家占世界人口的60%以上,占全球国内生产总值的80%以上。由于初始参与方在出资额上的力不从心,中国得以有机会参与其中。

据专家介绍,截至目前,中国在七个主要参与方中的表现公认是最好的。不仅资金投入充足,技术设备研发也及时到位。对中国来说,重要的是能从中学到关键技术,并应用到中国自主的可控核聚变项目上。

艰难的旅程

随着化石能源日渐稀缺,以及为减缓空气污染、降低温室气体排放,利用核反应产生能量的核能和平开发利用逐渐受到重视。自1954年,苏联建成世界上第一座纯民用的原子能发电站,迄今所有的商用核反应堆都是基于核裂变,即采用铀、钚等作为核燃料。当一个原子数较高的铀235核子吸收一个中子,会形成一个激发态的核子,然后裂变为两个或更多个轻核,释放出若干个中子。有些中子被下一个重核吸收,引发下一个裂变反应,释放出更多的中子。由这种链式反应释放出的热能通过冷却剂传导出来,加热水产生水蒸气,最后转动发电机发电。

与由较重的原子核变化为较轻的原子核的核裂变不同,核聚变是另一种反应方式,是由较轻的原子核结合形成较重的原子核——根据相对论质能方程,原子核净质量的变化都能造成能量的释放。

核聚变是大自然最普遍的能量来源。从太阳到最遥远的恒星,将氢原子核聚合成氦原子核的聚变反应所产生的能量照亮了整个宇宙。因为氢原子是宇宙中最丰富的元素,很自然,科学家希望能在地球上“复制”一颗人造恒星,帮助人类走出日益严峻的能源危机。

太阳的体积是地球的100万倍,每秒钟要烧掉6亿吨的氢原料,太阳的中心温度更高达1500万℃,而这才刚刚足够让核聚变以最缓慢的速度产生能量。太阳上的聚变反应,首先是两个质子(氢核)组合成一个含有一个质子一个中子的氘(音刀,氢的同位素)核,而后氘核与另一个质子组合成氦3,而后两个氦3组合成一个氦4,完成这整个反应过程需要几亿年。

氘核和氚(音川,氢的另一种同位素,含有一个质子两个中子)核的聚变则要快得多。氘核加上氚核可以聚变为两个质子和两个中子的氦4,并释放一个中子,而且这一反应不涉及质子向中子的转变,只是质子和中子的重新组合,因此这比质子聚变要快得多。但是由于这一反应涉及的原子核质量变化也非常小,能量输出就非常小,需要将氘核、氚核不断地碰撞,以产生显著的能量输出。

与核裂变相比,核聚变反应的好处是产生的核废料半衰期极短、安全性也更高。

海水中有取之不竭的氢原子——在地球上可以利用的物质中,氘核与氚核的组合是反应速度最快、需要温度最低的。但核聚变反应的一个发生条件是将反应物质加热到极高的温度,使原子核和电子分开,处于这种状态的物质称为“等离子体”;而要让相斥的原子核达到一定的碰撞频率,产生显著的聚变反应,则又需要将等离子体封闭在一个较小空间内足够长的时间。主要通过两种方式实现上述聚变反应:一种是磁约束,即用磁场形成一个“磁笼”将它们束缚住,这样的机器叫“托卡马克”(Tokamak),又称环磁机;另一种是惯性约束,即用激光冲击燃料,让燃料急剧压缩,燃料在膨胀爆炸前发生聚变反应。这种方法其实也是氢弹的反应原理。

美国加州的国家点火装置(简称NIF)和新墨西哥州的Z机器都使用的是惯性约束方法。有科学家比喻称,如果说ITER是传统的发电站,NIF和Z机器就是内燃机。

目前,世界上已有数百个托卡马克被建造出来了,但ITER将实现的是达到1.5亿℃的高温,只有到了这时,磁笼中的等离子体才能实现自加热,开始稳定的能量输出。ITER的目标是能够将50万千瓦的能量输出维持500秒,相当于输出能量达到点火所需输入能量的10倍。

按计划,ITER将用四年半组装完成,2025年进行第一次使用。ITER的工厂将产生大约500兆瓦的热能,如果持续运行并与电网相连,这将转化为大约200兆瓦的电力,足以供应大约20万个家庭。

“这显然是对未来的一种信心。历史上最伟大的进步总是源于大胆的赌注,艰难的旅程。”法国总统马克龙在ITER开工仪式上说。

中国加入“国际俱乐部”

1985年,作为结束冷战的标志性行动之一,时任美国总统里根和苏联领导人戈尔巴乔夫在瑞士日内瓦峰会上倡议,由美、苏、欧、日共同启动ITER计划。ITER的目标是要建造一个可自持燃烧(即“点火”)的托卡马克核聚变实验堆,以便对未来聚变示范堆及商用聚变堆的物理和工程问题作深入探索。

作为中方目前在ITER组织中职位最高的技术官员,中科院合肥等离子所原副所长武松涛对财新记者透露,里根和戈尔巴乔夫在日内瓦峰会上谈好了合作后,欧洲和日本也加入进来。1986年,四方正式开始设计和筹建ITER。1996—1998年,项目陆续完成了概念设计、工程设计及关键技术预研等前期工作,1998年的预算高达约90亿美元。“美国觉得太贵,退出了。”武松涛说,剩下的三方(俄罗斯、欧盟、日本)则坚持了下来。

到2001年完成最终设计时,这一计划的筹备工作已历时13年,耗资15亿美元。但好消息是,通过优化设计,项目将预算降低到约50亿美元。此后,俄罗斯、欧盟、日本三方考虑邀请更多国家合作,条件是只要贡献10%就可以平等参与。2001年11月,ITER计划实施的谈判开始,中国也开始与三方接触。2003年,中国和韩国加入该计划。美国也重返谈判桌。

此后的两年中,参与的六方为选址问题争执不下。直到2005年,法国卡达拉舍(Cadarache)战胜日本的六所村,成为ITER的建设地。作为交换条件,日本人池田要(Kaname Ikeda)成为ITER理事长。在这一年,印度也加入了该项目。

在拉丁语中,ITER的意思是“路”,也代表了人类为未来的能源需求寻找出路的决心。2006年5月24日,七方科技部长分别代表各国政府草签了《成立ITER国际组织联合实施ITER计划的协定》和《给ITER国际组织以特权与豁免的协定》,这标志着有关该计划场址选择、各国权利和义务、材料设备采购和分配以及组织机构建设等方面,历时三年多的艰苦谈判终于基本结束。2006年11月,在时任法国总统希拉克和欧盟主席巴罗佐的主持下,七方在法国爱丽舍宫签订了最后协议。2007年10月24日,条约正式生效,ITER国际组织成立,标志着ITER计划进入正式实施阶段。

武松涛现在在ITER国际组织任托卡马克装置总装总工程师,曾任托卡马克工程司副司长、ITER总部与各参与方协调负责人。他向财新记者介绍,中国参与ITER项目的论证过程中,实际上一度争议非常大,当时几十个顶级专家写信给中央领导,对中国加入ITER提出担忧,“因为投入太大,5亿欧元的投入当时是50亿人民币,其他科研领域肯定会被挤占。而且那时候中国聚变界的水平不足,有些院士就说,‘小学生上大学能学到什么?’”

但是力主中国参与该项目的中科院院士霍裕平认为,ITER就是国际聚变俱乐部,“这次花10%就能进入,以后可能就没这么便宜了”。武松涛说,而且可以通过这个项目把国内聚变行业带动起来。

武松涛透露,霍裕平院士推动的另一件事是,除了中国为ITER项目贡献的实物及资金,国内的聚变发展也必须1∶1配套,因此中国聚变界也得到了充足的资金。“我们把自己的事情做好了,攻击就会少一点。”武松涛说,中国是七方中经费最充足的,“也应该做好,做不好对不起国家,对不起纳税人。现在看,总的来说做得还不错,取得了长足进步,也确实花了不少钱”。

ITER计划的实施大体分三个阶段进行,按照2006年项目基准,第一阶段从2006至2016年,为实验堆建设阶段,耗资约50亿欧元;第二阶段持续20年,是热核聚变操作实验阶段,预计耗资约50亿欧元;第三阶段历时5年,是实验堆拆卸阶段,耗资5亿欧元左右。三个阶段共耗时35年,花费总计约105亿欧元。

但是,在推进过程中,项目一再拖延。2011年,霍裕平院士曾对财新记者表示,延迟的问题有两部分原因,其一是ITER本身就是个实验堆,许多拿不准的东西要在实验堆上解决,有些问题在现有的实验装置上表现出来,所以原来的设计要做大幅度更改。“但是我不太赞成大幅度更改,一直坚持这一点。以后欧洲做了大幅度更改,造成很大延期,大幅度增加经费,而且现在ITER的管理系统又变得比国际原子能组织还要复杂,也进一步增加了成本。”

当前国际形势出现新的变化,在一个逆全球化大行其道的时代,如何把ITER项目继续执行下去,是项目面临的一大问题。武松涛注意到国际政治变幻对ITER的微妙影响,比如在刚刚举办的总装启动仪式上,“七个参与方中,法国作为场址方,其总统出来讲话,欧盟的部长级官员也讲话,韩国总统也讲话,日本、中国、印度、俄罗斯都由国家元首发贺信、部长宣读,只有美国是能源部长发表讲话,总统没有写信”。

“美国一直比较特殊,已经有几年没怎么给现金了,只给了国内采购包的经费,去年给了一些也没给全。印度也在跟美国学。”武松涛说。

虚心的小学生

ITER国际组织将整个工程划分为若干个采购包,每个采购包以KIUA(千ITER工作量,1KIUA等于1988年时的100万美元)为计量单位。中国需要承担总工程量的9%,涉及五大领域的14个采购包。这五大领域分别是超导、电源、包层、诊断和加料系统。14个项目采购包的制造任务主要由中国的两大研究机构牵头承担,一个是武松涛所在的中科院等离子体物理研究所,另一个是中国核工业集团公司下属的核工业西南物理研究院。

按ITER国际谈判结果,中方在建造阶段出资额的近80%是实物投入,即在国内研制加工制造部件,并按照中方出资比例向ITER组织派遣职员等。

武松涛介绍,就目前的进展来说,中国在七方中的表现“反响还是很好的”。按照现在的进度目标,到2025年底完成第一阶段安装,并获得第一次等离子体。2025—2035年还有两次后续总装,ITER系统才能全部完成。“目前各方都有延误,但中方没有关键路径的延误,也就是说没有直接影响安装进度的部件延误,关键路径上部件或系统的延误将会影响整个项目的计划目标。”他透露,中方贡献的超导导体、超导馈线等都是很重要的关键技术,中国完成的这些采购包,国外的反应都不错,“质量上、总体进度都很不错”。

科技部ITER中心研究发展处副处长杨长春此前对财新记者透露,实现聚变能的商业利用,大致需要经历六个阶段,包括概念研究、原理验证、性能拓展、聚变能开发、示范堆和商用堆阶段,以ITER计划为标志,说明磁约束方式的聚变能应用已进入了实验开发阶段,即第四个阶段。

作为ITER中国工作组的主要依托单位之一,中科院合肥研究院等离子体物理研究所承担了ITER计划中国采购包的大量研发任务,同时还通过国际竞标赢得欧盟承担的ITER计划PF6项目合同。总重超过400吨、外径超过11米的PF6线圈已于去年研制成功。今年6月底,PF6顺利抵达交付目的地。PF6线圈是ITER装置主机的最重要部分之一,位于ITER装置超导磁体的底部,是目前国际上研制成功的重量最大、难度最高的超导磁体。

等离子体所与中核集团所属单位等组成的中法联合体,通过国际竞标赢得ITER主机TAC1安装工程。TAC1安装标段工程是ITER主机最重要的核心设备安装工程,其重要性相当于核电站的反应堆、人体里的心脏,主要工作为杜瓦结构的安装以及杜瓦结构和真空容器之间所有的系统安装。

等离子体所自2009年10月正式签订ITER计划国内采购包制造任务首份合同以来,从事ITER相关工作的人员超过550人。并且有一支超过100人的团队先后长期坚守在法国ITER现场,还有20余位科学家先后在ITER国际组织所属的国际评估组、专家组和工作组中担任重要职务。

中科院等离子所原所长、中国工程院院士李建刚对财新记者表示,中国不光在ITER项目中获得了平等的地位,而且比一般伙伴重要得多,不仅项目完成进度第一,质量也是最好的。

“通过参与ITER计划,很多东西我们都是从原来不会做到做出来,并做得更好,甚至比其他国家做得更好。”中国国际核聚变能源计划执行中心主任罗德隆8月3日在接受《科技日报》采访时说,通过国际合作,中国在国际核聚变舞台上有了更大话语权。“加入ITER前,国际主流聚变会议上几乎没有我们的声音。加入ITER后,中国逐渐走向世界聚变舞台的中心。”

科技部核聚变中心副主任王敏对财新记者说:“通过参加ITER计划,我们无论是在聚变技术上还是国际大科学工程管理上都有大幅度提升。可以说,在ITER七方中,中国是进步最快、加速度最大的一方。很多中国年轻人才在ITER计划中得以培养和成长。随着ITER计划执行,中国在世界聚变舞台上发出了更多的声音,贡献了更多的中国智慧。”

中国的雄心

中国参与ITER计划的最终目的,是为建成自己的核聚变反应堆做准备。霍裕平院士表示,ITER计划旨在解决人类未来能源问题,对人类发展具有非常重要的意义,这也是我国参加该计划最主要的考虑;其次,我国参加该计划也有助于全面掌握有关知识,并培养有关领域科研队伍,从而成为首先实现热核聚变的国家之一,并在将来有能力自行设计建造下一代热核聚变“示范堆”。

中国的受控核聚变研究始于上世纪五六十年代,尽管经历了长时间的困难环境,但一直以实现聚变能源的应用为主要目标。目前中国的受控核聚变研究的规模和水平居发展中国家之首,在聚变研究、工程技术以及等离子体物理理论和实验方面均有自己的特色。

上世纪90年代,中国开始实施大中型托卡马克发展计划,先后建成了HT-7中型超导托卡马克和HL-2A大中型常规导体托卡马克。2006年,中国又建成了大型非圆截面全超导托卡马克——EAST装置,这是世界上第一个全超导托卡马克。

11

中国建成的大型非圆截面全超导托卡马克EAST装置。目前EAST已经达到最高温度1亿℃,高参数等离子体维持时间达到约100秒。

可控热核聚变实验装置“东方超环”(EAST超导托卡马克)的科研人员近期发现了Grassy ELM高性能稳态运行模式的形成机理,有望将这种运行模式应用于未来强磁场稳态托卡马克核聚变反应堆,解决瞬态热负荷问题。目前EAST已经达到最高温度1亿℃,高参数等离子体维持时间达到约100秒。武松涛介绍说,当时他是EAST的装置主机负责人,很多经验也推荐给了ITER,“比如超导馈线系统,是我们力推的。ITER电源设计也根据中方的建议做了重大改进,采用了新的器件、新的技术,这些都是中方对ITER的贡献。”

武松涛透露,ITER用的都是最先进也最贵的技术,中国也没有必要全部借鉴,“用最新的技术很贵,也不一定可靠,EAST装置比较小,工程上够用就可以。”

下一步,中国的聚变研究项目是CFETR(中国聚变工程试验堆)计划。据武松涛介绍,这个计划从2011年就开始概念设计,现在已经进入工程设计,不过,项目投资额需要好几百亿,还在争取国家支持。它与ITER实验堆的区别是,ITER主要是解决未来聚变堆的物理及工程问题,但有两个问题没有解决:一个是材料测试问题,一个是氚自持的问题。而CFETR需要解决这两个问题。

ITER将是从现有各国的托卡马克装置过渡到真正的示范聚变装置电站的过程中惟一的一个实验装置,但是达到示范水平的几个关键问题还是无法在ITER解决,其中最重要的问题就是为真空容器寻找合适的辐射反射材料。因为实验条件的限制,ITER无法对材料在高速中子流下做实验。

武松涛透露,因为现今聚变采用的是氘氚聚变。地球上氘资源非常丰富,但是氚几乎没有,其主要来源是中子和锂反应,现在民用氚一克约3万美元。世界上公开的民用氚全部只有26千克,ITER要用25千克。未来聚变堆燃烧过程中消耗的氚以千克计,要求自己能够产氚,“也就是氚自持”。

他还介绍,虽然ITER有产氚项目,但不在ITER的目标中,各国自愿参加。而在材料测试上,由于中子对材料产生的辐照,ITER可运行时间的比例比较低,大约25%。因此在ITER没办法测试材料,更不要说测试部件。“我们希望达到几十个DPA(平均每个原子移动次数)的量级,解决氚自持和材料测试这两个问题。”他说,“为了建造中国自己的聚变堆,有些关键系统,例如氚系统还是需要自己解决。”

The Chinese version of this article was published in Caixin Weekly on Sept. 14, 2020

, and is only available for Caixin Global’s app users. To unlock more bilingual articles, download the Caixin app.

如果你对中英文报道感兴趣,欢迎订阅财新双语通。

If you are interested in our bilingual articles, subscribe to the English & Chinese Combo Pack.

Share this article
Open WeChat and scan the QR code