核聚变能源的开发现状及新进展

张国书

(核工业西南物理研究院,四川 成都 610225)

作为低碳能源,核能引起人们广泛关注。核能又分为核裂变能和核聚变能,相较于核裂变能,核聚变能由于资源丰富和无污染,是人类社会未来的理想能源,也是最有希望彻底解决能源问题的根本出路之一。20世纪90年代,我国政府就制定了 “压水堆、快堆、聚变堆”三步走的核能发展战略,2006年我国政府颁布实施了《国家中长期科技发展规划纲要》[1],确立了聚变能开发的发展纲领,其中明确支持以托卡马克装置为磁约束聚变发展的主要途径。

自2006年世界7方联合签署合作共同开发ITER后的10余年里,各国围绕ITER建造这条主线,在ITER国际组织的领导和协调下大规模地开展了ITER建造相关的物理实验研究和关键工程技术研发,并在许多领域取得了许多实质性的新突破和新进展[2]。由于ITER的80%目标集中在验证DEMO等离子体物理的功率运行及控制,一些国家投入在聚变能源技术相关的关键技术,中国在2011年独自提出和启动了开发中国聚变工程实验堆 (CFETR)设计研发计划[3],该堆的主要目标是实验验证ITER未能解决的示范聚变堆的氚自持、堆芯稳态运行、材料及部件可靠性等关键物理和技术问题。此外,近年来,欧洲采用What-X仿星器装置[4]及稀土高温超导新材料研制托ST25卡马克物理实验装置[5]等已建成并取得了突破性的研制和实验进展,并引起世界关注,为磁约束聚变研究和发展开辟了新途径和新方向。本文主要概述近10年核聚变能源的开发现状及最新进展。

1　磁约束核聚变的研究进展回顾

从20世纪70年代开始,苏联科学家提出的“托克马克”途径逐渐显示出独特优势。托克马克装置又称环流器,等离子体被约束在 “磁笼”中,形成一个中空的面包圈,并有很强的环电流。随着各国不同规模的托克马克装置的建成、运行和实验,托克马克显示了较为光明的前景。聚变等离子体温度达到亿度,等离子体约束明显改善。20世纪90年代,欧洲、日本、美国大型托克马克装置取得突破性进展,得到16 MW最大聚变功率输出,如图1所示。聚变能的科学可行性得到验证[6]。

图1　几个托卡马克物理装置取得的聚变功率输出实验结果Fig.1　Experimental results of fusion power output of several Tokamak devices

由于核聚变能源开发是人类共同面临的科学技术挑战,一项以验证磁约束聚变能科学可行性和工程技术可行性为目标的国际热核实验堆(ITER)计划于1985年由美苏首脑倡议、国际原子能机构 (IAEA)支持的超大型国际合作开发项目被正式提出,ITER旨在验证磁约束聚变能科学可行性和工程技术可行性。1988年欧洲和日本随即也加入进来,并于1998年欧、美、日、俄四方共同完成工程设计。

1998年,美国退出ITER后,欧、日、俄三方依据 “先进托卡马克运行模式”的科学基础,重新对原设计进行改进和优化,并于2002年完成设计。改进后的设计称为ITER-FEAT,即现在的ITER计划,如表1所示。据新的设计,ITER装置的造价由原来100亿美元降至50亿美元。

表1　改进前后的ITER装置主要设计参数Table1　Main design parameters of ITER before and after improvement

预计ITER计划建设周期为10年,装置建成后运行20年,退役5年。ITER计划将集成验证 “稳态燃烧等离子体”科学问题和部分验证聚变电站工程技术问题。ITER计划的实施,标志着磁约束核聚变研究已经进入实际的能源开发阶段,其结果将决定人类能否迅速地、大规模地使用聚变能源,从而影响人类从根本上解决能源问题的进程。

2　改进后的ITER计划及目标

2000年以后,因受中国积极加入ITER计划的影响,韩国、印度也决定加入,包括原来的欧洲、日本、俄罗斯以及重新加入的美国,共同组成了7方ITER理事会。2006年,ITER七方成员的政府代表签署了共同建造国际热核试验堆(ITER)的协议,ITER的建造标志着国际磁约束聚变能源研究 (MFE)研究已从大托卡马克装置、近堆芯的高品质高约束燃烧等离子体物理研究进入到聚变能源开发利用的物理和工程研究阶段。根据协定,ITER装置将建在法国南部的Cadarache中心 (马赛以北约60 k m处),预计2018年完成建造并投入运行,设计聚变功率输出50～70万k W,等离子体放电脉冲500～1000 s。除了等离子体指标外,该计划还涉及大型超导磁体、等离子体加热及电流驱动、堆芯部件远距离操作维修、涉氚技术等聚变堆工程技术问题。如果ITER装置如期建成并达到预期目标,百万千瓦级的示范聚变电站可望在2030年前后开始建造,并在2050年前后实现核聚变能源商用化。

根据联合实施协定,所有的部件将由7个参与方分别研制和提供,并按规定时间节点提交安装.经过分解,ITER装置的部件被拆分成22个采购包,97个子包。我国承担了12个子包 (分属6个采购包)的制造任务,预计研制费和加工费达40亿元人民币。涉及的部件 (材料)为:磁体支撑、包层第一壁、包层屏蔽体、气体阀门箱和辉光放电清洗系统、修正场线圈、磁体引线、高压变电站设备、交-直流转换器、环向场磁体线圈导体、极向场磁体线圈导体、传送车系统、诊断系统 (中子通量测量、光学测量、朗缪尔探针)等。

氚增殖包层用于氚增殖、回收、纯化与再循环等,它是未来聚变电站核心技术之一。ITER实验包层模块 (简称ITER TBM)项目的研究目标即验证聚变堆包层的氚增殖及高热能量提取等关键技术。目前,各国ITER TBM的设计方案都是基于本国的聚变能源开发战略和DEMO示范堆的定义来确定的,根据国际聚变技术的发展趋势,“氦冷/锂陶瓷氚增殖剂/铁素体钢马氏体钢结构材料”(HCCB)和 “氦锂双冷 (或氦单冷)/液态锂铅增殖剂/铁素体钢马氏体钢结构材料”(DCLL),是示范堆 (DEMO)包层首选的两种概念。我国从2004年开始参加ITER TBM活动,2009年经ITER理事会,中方确定以氦冷固态 (HCCB)概念TBM[7-8]。目前中国ITER HCCB TBM系统概念设计 (CD)阶段已通过验收,进入了工程设计 (PD)阶段。

从2006年至今,总体上ITER取得许多长足的积极进展,但是由于ITER参与的国家、机构及人数等众多,涉及项目的管理、执行和技术协调等难度的确很大,进度受到很大影响,因此ITER组织理事会不得不于2016年开会决定,原计划2018年ITER建造完成并实现第一次等离子体放点的计划推迟至2025年。

3　DEMO示范堆电站技术研究

实现核聚变能源的商用,还有很长的路要走,预计要到2050年,才能建成具有经济竞争力的商用聚变电站。在实现聚变能商用之前,人类还要经历示范堆阶段,以验证商用聚变电站的工程技术可行性、环境可行性及经济可行性。示范堆的聚变功率大致为2～3 GW,示范堆与聚变电站技术主要包括:芯部等离子体技术,包层与能量获取技术,结构材料与功能材料技术,堆级超导磁体技术,屏蔽与安全技术,诊断与控制技术等。其中包层技术是聚变堆实现 “氚自持循环”与获取能量的关键技术,包层类型的选择将决定聚变反应堆的基本特征。同时,人类还长期致力于核聚变能源的 “非电力应用”研究,如聚变中子嬗变 (裂变堆产生的)高放废物以及聚变产氢等研究,这些应用研究将有助于推动聚变电站技术的发展。

按照预期,一旦ITER建成并成功达到其实验目标,则磁约束聚变开发进入建造聚变示范堆DEMO阶段[9],DEMO是一个全尺寸、全功能、全功率的聚变示范电站,然后在本世纪中叶左右建造聚变电站,实现聚变能源的商业利用。为此,目前在ITER工程建造的同时,各个成员在尽力推进各自承担的ITER采购包任务的研发、确保ITER成功的同时,重点开展两个方面的研究:1)瞄准ITER即将开始的物理实验,在各自的托卡马克装置上发展实验技术,提升实验研究水平,开展物理实验,认识ITER的堆芯燃烧等离子体物理,以增加自身在ITER物理实验阶段的竞争力和发言权,达到更好利用ITER的目的,补充各自国内MFE发展研究;2)瞄准ITER后的发展路线,建造工程和装置平台,开展测试和设计研究,发展聚变堆工程技术。欧洲提出了开发聚变能源的 “快车道”计划,即从ITER直接过渡到示范堆的技术路线。美国则希望在ITER和示范堆之间建造一个部件实验装置(CTF)和聚变核科学设施 (FNSF),以解决示范堆的关键工程技术问题。

根据我国国情,中国在2011年提出并启动了独自设计建造一个中国聚变工程实验堆 (CFETR),作为从ITER到DEMO示范堆的过渡阶段。

4　CFETR设计研发

中国加入ITER和增强对国内磁约束聚变研究支持力度的最终目标是尽快获得可供使用的聚变新能源,为此,2011年3月成立了聚变堆总体设计组,它的最重要使命是:将中国磁约束聚变研究的目标集中到聚变能源的开发;在吸收、消化ITER物理和工程技术的基础上组织国内聚变界进行中国聚变工程实验堆 (CFETR)的总体集成设计,为在中国尽快建成聚变能源堆奠定设计基础。CFETR是继ITER之后桥接聚变示范堆 (DEMO)的一个大型试验堆平台。

目前,CFETR已确定的总体目标和总体设计参数为:实现聚变功率Pf=200～1000 MW;运行因子≥30%～50% 的长脉冲或稳态运行 (获得聚变能,并将消耗和大量在线处理燃料氚);通过先进增殖包层 (TBR＞1)和先进氚工厂实现氚自持;在高热负荷和高通量中子辐照下进行材料实验和筛选,为设计建造PFPP奠定基础;通过先进遥操系统实现包层和偏滤器快捷和安全的维护、维修和更换;为及时获得聚变示范堆许可证取得经验、数据和奠定科学技术基础。

CFETR经过近5年的研讨、论证和概念设计,中国磁约束聚变界在以下重大问题上达成一致:1)中国的磁约束聚变研究必须以开发聚变能源为目标;2)迄今为止托卡马克是最有希望实现上述目标的磁约束聚变途径;3)加入ITER之后,中国下一步必须建造一个工程实验堆;4)为了获得具有实用意义的能源,CFETR必须稳态运行 (高工作时间);5)CFETR实现稳态运行的必要条件之一是建造超导托卡马克;6)实现CFETR稳态运行的另一必要条件是:通过物理和工程技术的发展,实现稳态电流驱动、稳态加热和燃烧等离子体加料排灰的稳态平衡;7)稳态运行的聚变能源堆将燃耗大量氚。

氚的燃烧效率+提取效率+循环处理效率将决定在线运行氚的总量 (它决定氚的年衰减消耗量),作为能源堆,通过增殖氚以平衡各种消耗,实现氚自持是CFETR的重大科学目标。

5　我国聚变能发展战略及技术路线

我国的受控核聚变研究始于20世纪50年代中期,经过50余年的努力,我国先后共建造了30多台核聚变实验装置。我国自行设计建造的中国环流器一号 (HL-1)装置于1984年在核工业西南物理研究院建成,标志着我国核聚变研究由原理性探索进入到规模化实验研究阶段,1995年又成功建造了中国环流器新一号 (HL-1 M)装置,该装置达到国际同类型同规模装置的先进水平,2002年我国第一个具有偏滤器位形的大型托卡马克中国环流器二号A(HL-2A)装置建成,等离子体电子温度达到5500万℃,国内首次获得了高约束H模的等离子体运行参数。中国科学院等离子体物理研究所先后建成了HT-6B、HT-6 M铜导体托卡马克装置,HT-7、EAST(先进超导托卡马克实验装置),并于2016年首次实现了100 s长脉冲的等离子体H模放电实验。中国工程物理研究院、中国原子能院、中科院合肥核安全研究所、中国科学技术大学、清华大学、中国科学院物理研究所、华中科技大学、北京科技大学等科研机构也在核聚变研究领域开展工作。

我国MFE开发的总体发展战略目标是:近期以全面参加ITER计划、消化吸收ITER技术和分享ITER知识产权,搞好国内磁约束核聚变研究、积累聚变堆科学和工程技术知识,加强人才培养为目标;中期以建造聚变堆部件验证工程试验平台,进行聚变堆单项技术攻关,开展示范堆设计研究,具备设计和建造聚变示范堆能力为目标;远期以设计建造聚变示范堆,实现核聚变能源商用为目标。

目前,根据我国国情,我国确定了磁约束聚变能源发展技术路线[10],如图2所示,其要点是:1)利用国内聚变实验装置 (如HL-2 A及其升级装置、EAST和J-TEXT等),开展前沿等离子体物理研究;2)加强聚变堆技术研究和基础技术平台与人才队伍建设;3)全面参与ITER计划,消化、吸收和掌握ITER的设计技术和加工制造技术;4)参与示范堆有关的国际合作,开展示范堆设计与关键技术预研工作;5)自主设计建造CFETR,为2050年左右建造DEMO和PFPP奠定工程基础;6)加入国际聚变材料辐照试验装置 (IFMIF)研究计划。

6　磁约束聚变基础研究新进展

由于聚变能源开发面临许多物理及工程材料等难度极大的问题,除ITER主线外,近年国内外在磁约束基础研究等领域积极探索和发展,取得了积极进展,拓宽了磁约束聚变的研究领域,并将对聚变能源开发产生积极影响。

国外方面,2015年世界最大的仿星器装置W7-X在德国马克斯-普朗克研究所建成,并于2016年达到最大磁场的设计目标,并开展了初步物理实验。仿星器装置是区别于托卡马克磁约束聚变的另一种很有前景的技术路线,与托卡马克装置相比,仿星器装置因采用扭曲的3D磁场的特殊设计可使等离子体不破裂,即可实现稳态运行而一直备受聚变界关注。此外,是英国托卡马克能源私人公司成功建造了世界首台完全高温超导磁体的托卡马克装置ST25 2.0 HTS,该装置在2015年伦敦皇家学会夏季科学展览会上演示了连续29 h等离子体运行。稀土高温超导聚变装置因运行温度高和上界磁场强度大等优点为磁约束聚变研究拓展了新平台。受上述两方面实验进展的刺激,世界部分聚变科学家逐渐将目光转向了与仿星器和高温超导聚变装置等相关方面的研究。

国内方面,2015年,中国科大建成了我国首台反场箍缩磁约束聚变装置-“科大一环”,该装置是另一类环形、非超导磁约束聚变装置,磁场可达7000 GS,等离子体电流可达1 MA,电子温度可达600万℃,放电时间可达100 ms。2017年,中科院合肥所在EAST装置实现100 s H模等离子体放电实验,创造世界第一的纪录[11]。同年,核工业西南物理研究院在ITER包层第一壁关键工艺重大突破,世界上第一个通过ITER国际认证实验测试。近年西南交大、南华大学等高校已正式提出了与国外合作研制或从国外引进仿星器聚变装置,并取得积极进展。2017年,国家发改委在 “十三五”国家重大基础设施建造项目中批复立项了托卡马克聚变基础试验设施装置建造项目,用于偏滤器工程系统等研究,该装置的建成将极大促进我国聚变堆工程技术发展。

图2　中国磁约束聚变能发展技术路线图Fig.2　The technical road map of China's magnetic confinement fusion energy development

7　结束语

开展受控核聚变能源开发研究的最终目的是建成经济性能优异、安全可靠、无环境污染的聚变电站,成为国民经济发展的支柱性能源。开发核聚变能源,对于我国的可持续发展有着重要的战略和经济意义。随着我国综合国力的迅速加强,加快我国开发核聚变能源研究的步伐,不仅是必要的,也是可行的。聚变能是人类最理想的能源,国际核聚变研究取得了非常大的进步,我国在聚变工程,实验及理论等方面的研究部分已达到国际领先水平,ITER计划进展显著,我国采购包任务执行成果丰硕,中国已经制定了聚变能发展线路图,争取早日建成聚变能堆率先实现核聚变能。

参考文献:

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[10]万元熙.中国聚变工程实验堆 (CFETR)总体设计——进展与挑战 [R].北京,2017.

[11]http://www.ipp.ac.cn/xwdt/ttxw/201012/t20101224_69209.ht ml.

[12]http://www.swip.ac.cn/news/detail.asp?id=2028.