劉志宏：磁約束核聚變發(fā)展及展望

聚變新能(安徽)有限公司副總經(jīng)理 劉志宏：

我來自聚變新能(安徽)有限公司，同時在等離子所任職。目前核聚變的方式大概有三種，第一種是太陽，太陽是一個巨大的聚變的球體，是一個等離子的球體，靠著它的質(zhì)量、引力，把反應(yīng)物質(zhì)牢牢地約束在一起。第二種是常聽到的慣性約束激光聚變的方式，更多地應(yīng)用于激光武器等方面。能源的聚變更多需要持續(xù)的、長久的、穩(wěn)態(tài)的，科學(xué)家們就提出了利用磁場去約束等離子體，使其在一定的空間內(nèi)不斷進行運動、加熱，使聚變的原料發(fā)生聚核反應(yīng)的方式，它的反應(yīng)更加貼合我們對于能源使用的要求。而且對于這樣一個裝置來說，我們把它中間所有的磁鐵或者線圈都變成超導(dǎo)，那么它就變成了一個超導(dǎo)的磁約束的托卡馬克裝置。

接下來報告一下磁約束核聚變的研究進展，特別是針對全超導(dǎo)托卡馬克方面。等離子所建造了世界上首個全超導(dǎo)托卡馬克裝置“東方超環(huán)”，科學(xué)目標(biāo)是穩(wěn)態(tài)長脈沖運行模式發(fā)展與物理集成，1兆瓦電流、1億度，1000秒的放電時間已經(jīng)分別實現(xiàn)。接下來的目標(biāo)是瞄準(zhǔn)能源三大目標(biāo)同時實現(xiàn)。取得了200多項重大關(guān)鍵技術(shù)突破，并且通過持續(xù)攻關(guān)，發(fā)展核心技術(shù)與方法，為高參數(shù)穩(wěn)態(tài)的等離子體運行奠定基礎(chǔ)。

裝置從2006年建成到現(xiàn)在已經(jīng)穩(wěn)定運行18年，兩次獲得國家科技進步一等獎，四次獲得中國科技十大進展新聞。2021年，整個裝置也創(chuàng)造了1.2億度、101秒以及1.6億度、20秒高溫等離子體的世界紀(jì)錄。同年年底，整個裝置實現(xiàn)了1056秒，長達17分鐘穩(wěn)定的放電，從而使大家對于整個聚變瞄準(zhǔn)能源方面持續(xù)的運行成為可能。在此過程中也驗證了千秒量級時間尺度下的高溫等離子體穩(wěn)態(tài)運行的工程和技術(shù)，偏離器、水冷結(jié)構(gòu)等技術(shù)都得到了非常充分的驗證。

2023年4月份，整個裝置又實現(xiàn)了可重復(fù)的403秒更高功率或者更高等離子體參數(shù)的約束模式的運行，這個400秒的長脈沖高約束膜等離子運行，也是ITER(國際熱核聚變實驗堆)裝置首選的運行參數(shù)。這一成果的取得也被國際30多家科研機構(gòu)給予了非常高的評價。并且為ITER以及未來的聚變堆高約束長脈沖的持續(xù)運行提供了直接的技術(shù)和物理的支持。

2018年，等離子所拿到國家“十三五”的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施綜合研究設(shè)施，掌握了一些關(guān)鍵技術(shù)，同時開展一些先進的測試平臺的建造，建成之后將是世界上參數(shù)最高、功能最全的瞄準(zhǔn)于未來聚變堆的綜合研究平臺。整個平臺通過對19個系統(tǒng)的建設(shè)，目前已經(jīng)建成了16個，實現(xiàn)關(guān)鍵部件完全的自主設(shè)計、研制以及針對于聚變長遠(yuǎn)的規(guī)劃。通過這樣一個設(shè)施的建設(shè)，將為我們聚變堆建設(shè)奠定堅實的科學(xué)基礎(chǔ)。按照項目的進度，明年5月份將通過國家發(fā)展改革委組織的驗收。

我們在材料的性能研究、導(dǎo)體的性能研究、超導(dǎo)磁體、真空室、偏濾器部件、等離子體與材料相互作用方面開展了很多研發(fā)，并且成功取得了一系列創(chuàng)新。我們深度參與了ITER項目，ITER是由中、美、日、韓、印度、歐盟和俄羅斯七方攜手，總投資超過200億歐元的國際合作項目，共有35個國家，人口占65%以上，GDP占80%以上。ITER項目的目標(biāo)就是去驗證聚變能和平利用的工程技術(shù)可行性。在ITER項目中，等離子所也抓住機遇深度參與，我們承擔(dān)了中國超過75%以上采購包的任務(wù)，而且所有的產(chǎn)品都實現(xiàn)了三個100%，100%的國產(chǎn)化、一次性合格及準(zhǔn)時交貨，得到了ITER國際組非常高的贊譽。

包括對于導(dǎo)體的國產(chǎn)化，我們推翻了ITER原有的電源設(shè)計，避免了大的風(fēng)險。通過國際競標(biāo)，在價格高于日本和俄羅斯的情況下，成功地拿到了世界上難度最大、重量最高的PF6磁體，目前已經(jīng)安裝到了ITER的主機大廳，整個磁體重大于400噸，該項技術(shù)獲得了2000年度中國專利金獎。

我們與中核共同參與并拿到了ITER的總裝任務(wù)，針對關(guān)鍵技術(shù)、針對作業(yè)指導(dǎo)書的編制和關(guān)鍵技術(shù)的解決，總裝過程的啟動也得到了習(xí)近平總書記的賀信。

在進行現(xiàn)有工作的同時，我們也在開展了未來中國聚變工程堆的設(shè)計，2017年，由等離子所的所長作為項目負(fù)責(zé)人承擔(dān)了科技部接近兩億元的專項，主要是完成中國未來聚變工程堆CFETR(中國聚變工程試驗堆)的設(shè)計，全國50家科研院所、高校、企業(yè)約800人共同參與。該項工作于2021年底通過了國家組織的專家驗收，現(xiàn)階段我們已經(jīng)完成了針對未來聚變工程堆所有的工程設(shè)計。

經(jīng)過這么多年的聚變發(fā)展和積累，我們已經(jīng)與40多個國家超過120家單位開展了深入合作，建立了非常良好的合作關(guān)系。而且中美、中法、中俄等研究中心也得到了非常好的運轉(zhuǎn)，我們的溝通交流都非常順暢頻繁。我們也拿到了國際原子能機構(gòu)首個聚變的協(xié)作中心，便于我們更好地開展聚變的國際交流與合作。

未來規(guī)劃與展望。目前整個聚變已經(jīng)成為國際熱點，基于這種情況，無論從中國科學(xué)院來說還是安徽省，還是聚變新能來說，也是考慮一種新的體制，推動整個聚變的發(fā)展，我們首先瞄準(zhǔn)國家對能源的重大需求，采用新型舉國體制的優(yōu)勢，建立了由政府、研究所、企業(yè)共同助力的方式，集試驗研究、工程示范和商業(yè)應(yīng)用于一體的商業(yè)化的攻關(guān)體系，我們在2023年由安徽省合肥市的國有企業(yè)攜手中國科學(xué)院、蔚來汽車和中國石油，共同成立了聚變新能(安徽)有限公司，整個公司秉承著研發(fā)和商業(yè)運用共同推進整個聚變商業(yè)化的過程，加快其實施過程。截至目前，公司和等離子所團隊進行了非常充分的融合，兩個團隊加在一起參與發(fā)展聚變的人員已經(jīng)接近2000人。

現(xiàn)階段我們公司和中國科學(xué)院的主要目標(biāo)就是建設(shè)燃燒等離子體聚變能試驗裝置BEST(緊湊型聚變能實驗裝置)，聚變功率20～200兆瓦，要實現(xiàn)燃燒等離子體長時間穩(wěn)定安全控制，并且在國際上首次實現(xiàn)在聚變裝置上面產(chǎn)線氚的實時產(chǎn)生、提取和循環(huán)加料。對于BEST來說，我們將在世界范圍內(nèi)首次演示聚變能發(fā)電，整個裝置將成為未來十年唯一的氘氚燃燒的聚變裝置。作為氘氚裝置來講有很多，但是真正能夠達到燃燒狀態(tài)的，在未來十年只有BEST，而且我們的BEST也將成為高水平科技自立自強的代表性工程，全面引領(lǐng)聚變科學(xué)和工程技術(shù)，加快聚變工程化進程，降低商業(yè)應(yīng)用風(fēng)險。

BEST園區(qū)在去年6月份已經(jīng)正式開工，目前整個主機大廳的施工、負(fù)二層的施工已經(jīng)全部完成，整個園區(qū)占地面積接近300畝，是非常酷的一個園區(qū)。預(yù)計明年能夠見到這個園區(qū)的真實面貌。

為了保障我們裝置的建設(shè)，以及為未來商業(yè)化做準(zhǔn)備，我們積極地保障供應(yīng)鏈，發(fā)展產(chǎn)業(yè)鏈。2023年由新能公司、中國科學(xué)院等離子所等一些央企國企共同發(fā)起成立了中國聚變產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。去年發(fā)起時共有60家單位，截至目前已經(jīng)有156家單位參與了整個聚變產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。同時我們聯(lián)合1080家上下游供應(yīng)商，共同推動整個聚變的發(fā)展，在聚變堆材料、工藝、裝備、檢測、運維等方面開展前期攻關(guān)以及相應(yīng)的合作。