中国实际应用“人造太阳”不是梦

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编者的话：环境污染、气候变化、资源匮乏……当今世界面临的诸多危机均源于能源问题，而寻找一种清洁、安全、可持续的能源也成为全球科学界的一项重大研究课题。参照太阳的核聚变反应，各国科学家从上世纪起开始探索如何利用地球上储量极其丰富的氘制造出“人造太阳”，为人类提供永续的清洁能源。
在这一进程中，中科院合肥研究院等离子体物理研究所研制、有“东方超环”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置（简称EAST）是全球最重要的实验平台之一。等离子体物理研究所副所长胡建生近日在接受《环球时报》记者专访时介绍称，聚变能科学可行性已经被证实，完成了80%以上的关键技术积累，中国有望未来30-50年实现聚变能实际应用。
环球时报：在“人造太阳”（磁约束核聚变）领域，世界各主要国家都在同台竞技，请问建成于2006年的中国“人造太阳”EAST在研发路线和技术方向上有何特点？
胡建生：聚变研究是非常复杂的系统工程，无论是从关键物理问题，还是工程技术，都极具挑战。世界上主要的聚变研究机构大多有自己的聚变装置，我们建造并正在运行的“人造小太阳”，也就是全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST），它是世界上首个非圆截面全超导托卡马克装置。
与国际上大多数采用常规磁体的短脉冲运行装置相比，EAST装置的研究方向主要瞄准高参数长脉冲等离子体运行，探究高性能等离子体、先进稳态运行模式等高温等离子体稳定运行中的一些关键物理问题和工程技术问题。目前，EAST具备与国际热核聚变实验堆（ITER）（全球最大的实验性托卡马克核聚变反应堆装置，已于2020年开始组装，包括中国在内七方30多个国家参与其中——编者注）最为相近的工程技术条件，包括超导稳态磁场和高功率长时间加热能力，与ITER位形相似的可以承受高热负荷冲击的钨铜偏滤器系统，以及灵活的等离子体控制能力，可以开展低动量、电子加热为主的长脉冲等离子体物理实验。
环球时报：目前EAST取得哪些成果？整体研究水平处于国际什么水平？
胡建生：EAST自建成运行以来，取得一系列重要成果。去年5月，EAST实现可重复的1.2亿摄氏度101秒等离子体运行和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，创造托卡马克实验装置运行新的世界纪录。去年年底，EAST在注入能量达到1.73吉焦的条件下，实现1056秒的长脉冲高参数等离子体运行，其间电子温度近7000万摄氏度。这是目前世界上托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间纪录。
这些表明EAST装置成功验证了全金属主动水冷第一壁、高性能钨偏滤器、稳态高功率波加热、等离子体位形精密控制等一系列未来聚变堆关键技术和方法，阐明了长脉冲高参数运行的基本要求和关键物理过程，在稳态长脉冲等离子体运行方面处于国际领先地位，为ITER及未来聚变堆发展提供了强有力的工程技术和科学理论支持。
环球时报：近日，“人造太阳”开启新一轮实验。请介绍一下此轮实验的目标和进展。
胡建生：目前，EAST刚刚开始最新一轮实验，处于调试阶段，并初步建立了等离子体。本轮实验，主线目标是率先实现400秒量级的高约束等离子体（ITER运行目标之一），并且开展高功率加热的百秒量级等离子体实验。这些目标是在前期长脉冲等离子体实验基础上，进一步提高加热功率和等离子体约束性能，拓展等离子体参数区间，实现稳态等离子体运行新突破，为实现ITER归一化参数水平的长脉冲等离子体运行奠定基础。同时，我们已在全球范围内征集EAST实验提案，强化国内外合作，探索先进运行模式，深度研究等离子体关键物理，为ITER及未来聚变堆建设运行提供关键科学和技术验证。
环球时报：基于EAST开展的国际合作越来越多，等离子体物理研究所也成立了国际聚变能联合研究中心，能否介绍一下这方面的情况？
胡建生：EAST已成为中外等离子体物理与聚变科学家最重要的研究平台之一，引领磁约束聚变前沿研究，为牵头发起国际大科学计划奠定坚实基础。参与EAST实验提案的合作者有来自欧美日韩等发达国家，也有发展中国家的专家。目前，美国能源部仍将EAST列为未来美国磁约束聚变合作的首选装置。近年来，EAST国际实验提案占总提案数的46%，EAST已经成为全球开放共享的国际实验标杆装置。中科院合肥研究院等离子体物理研究所还与欧美日韩俄等建立政府间聚变框架协议，与超过120个国际研究机构和组织建立稳定合作关系，与国际聚变界最主要的聚变研究单位签署正式合作协议39份，成立了22个不同的工作组。
2017年基于中法联合实验室的合作成果，还成立了“中法聚变联合研究中心”（SIFFER）。2017年，我们主导国际聚变专家联合发表《北京聚变宣言》，参与签署的40多个国外科研机构表示支持并共同参与中国聚变堆的设计与建设。2018年底，我们发起成立了国际聚变能联合研究中心，得到国际聚变界大力支持，也为我们下一步开展磁约束聚变国际大科学工程建设奠定基础。
环球时报：我国于2006年正式签约加入ITER计划，中国科研机构和企业在其中扮演着何种角色？
胡建生：聚变能研究以解决人类能源问题为最终目标，是国际科研合作参与度最高的科研领域。通过建设运行EAST装置和深度参加ITER计划等，我们现已建立最广泛的共享互惠国际合作网络。“十三五”期间，我们通过参与国际竞标类项目，成功获取大量国际经费。以ITER项目为代表，承担了ITER采购包国内计划70%的任务，通过国际竞标成功中标ITER PF6和ITER TAC1总装项目，成功进入欧洲核能工程建造市场。参与ITER项目的过程中，先后派遣100多人长期坚守在法国ITER现场，参与领域基本覆盖了ITER主机的所有核心内容。20余位科研人员先后在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。
环球时报：“人造太阳”何时能够真正持续地提供清洁能源。能否介绍下我国在这方面的路线图？
胡建生：我们在这一块还是分两个路径去走：一个是仍然要在科学理论上，解决一些关键物理问题；另一个是工程技术问题。目前，作为实验平台的EAST，仍然会开展物理实验，也包括国际联合的物理实验，来研究先进稳态运行模式。同时，正在建设聚变堆主机关键系统综合研究设施CRAFT，计划于2025年完工。
基于EAST和CRAFT的研究与工程基础，我们正在谋划建造一个紧凑型聚变能实验堆，实现燃烧等离子体，产出聚变能，并研究燃烧等离子体关键物理问题，为未来聚变堆建设打下坚实基础。再下一步，我们希望尽快启动建造CFETR（中国聚变工程实验堆），将研究走向实用化，以实现聚变能源为目标，直接瞄准未来聚变能的开发和应用。同时，我们也会以多种形式深度参与ITER项目总装、调试与运行，进一步提升科学技术实力，培养我们聚变人才。
总体来看，我国经过这么多年发展，聚变能科学可行性已经被证实，完成了80%以上的关键技术积累。可以在国家和社会的大力支持下，快速推动中国聚变工程实验堆建设与运行，有望未来30-50年实现聚变能实际应用。
环球时报：目前，“人造太阳”的研究哪些关键技术瓶颈有待突破？
胡建生：“人造太阳”的最终研究目标是为人类提供清洁能源。针对这一远期目标，需要从物理研究、工程技术、经济性等方面共同发力，取得全面进展，最终使聚变能成为可靠的能源。物理研究方面，主要需解决的问题是燃烧等离子体的实现及其稳定自持。工程技术方面，最关键的领域有高温超导磁体技术、氚循环利用、反应堆材料研发、聚变核安全等。经济性方面，需重点解决能量转换、电网技术等。
环球时报：“人造太阳”意味着一个永续的清洁能源，这对于中国以绿色、低碳能源为主导的新型消费能源体系有何意义？一些早期成果是否已开展转化？
胡建生：世界主要国家均积极投入聚变能开发与应用研究，这也是我国能源发展的长期战略目标。一旦成功实现聚变能，可以为国家和人类提供永续的清洁能源，可以完全替代化石能源，对于中国建设以绿色、低碳能源为主导的新型消费能源体系、履行“双碳”承诺有着极为重要的意义。在聚变能研究过程中，涉及的关键技术，包括等离子体、真空、低温、电源、超导磁体等技术已经转化应用。未来将进一步加强产业推广，在超导磁体、涡流制动、滤波器、绝缘部件、低温装备、太赫兹检测、微波装备、特种焊接、特种检测等方面实现突破，为国民经济服务。▲