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(lái)自聚變新能(安徽)有限公司，同時(shí)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(yáng)，太陽(yáng)是一個(gè)巨大的聚變的球體，是一個(gè)等離子的球體，靠著(zhù)它的質(zhì)量、引力，把反應物質(zhì)牢牢地約束在一起。第二種是常聽(tīng)到的慣性約束激光聚變的方式，更多地應用于激光武器等方面。能源的聚變更多需要持續的、長(cháng)久的、穩態(tài)的，科學(xué)家們就提出了利用磁場(chǎng)去約束等離子體，使其在一定的空間內不斷進(jìn)行運動(dòng)、加熱，使聚變的原料發(fā)生聚核反應的方式，它的反應更加貼合我們對于能源使用的要求。而且對于這樣一個(gè)裝置來(lái)說(shuō)，我們把它中間所有的磁鐵或者線(xiàn)圈都變成超導，那么它就變成了一個(gè)超導的磁約束的托卡馬克裝置。

接下來(lái)報告一下磁約束核聚變的研究進(jìn)展，特別是針對全超導托卡馬克方面。等離子所建造了世界上首個(gè)全超導托卡馬克裝置“東方超環(huán)”，科學(xué)目標是穩態(tài)長(cháng)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(shí)間已經(jīng)分別實(shí)現。接下來(lái)的目標是瞄準能源三大目標同時(shí)實(shí)現。取得了200多項重大關(guān)鍵技術(shù)突破，并且通過(guò)持續攻關(guān)，發(fā)展核心技術(shù)與方法，為高參數穩態(tài)的等離子體運行奠定基礎。

裝置從2006年建成到現在已經(jīng)穩定運行18年，兩次獲得國家科技進(jìn)步一等獎，四次獲得中國科技十大進(jìn)展新聞。2021年，整個(gè)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錄。同年年底，整個(gè)裝置實(shí)現了1056秒，長(cháng)達17分鐘穩定的放電，從而使大家對于整個(gè)聚變瞄準能源方面持續的運行成為可能。在此過(guò)程中也驗證了千秒量級時(shí)間尺度下的高溫等離子體穩態(tài)運行的工程和技術(shù)，偏離器、水冷結構等技術(shù)都得到了非常充分的驗證。

2023年4月份，整個(gè)裝置又實(shí)現了可重復的403秒更高功率或者更高等離子體參數的約束模式的運行，這個(gè)400秒的長(cháng)脈沖高約束膜等離子運行，也是ITER(國際熱核聚變實(shí)驗堆)裝置首選的運行參數。這一成果的取得也被國際30多家科研機構給予了非常高的評價(jià)。并且為ITER以及未來(lái)的聚變堆高約束長(cháng)脈沖的持續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”的重大科技基礎設施綜合研究設施，掌握了一些關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)開(kāi)展一些先進(jìn)的測試平臺的建造，建成之后將是世界上參數最高、功能最全的瞄準于未來(lái)聚變堆的綜合研究平臺。整個(gè)平臺通過(guò)對19個(gè)系統的建設，目前已經(jīng)建成了16個(gè)，實(shí)現關(guān)鍵部件完全的自主設計、研制以及針對于聚變長(cháng)遠的規劃。通過(guò)這樣一個(gè)設施的建設，將為我們聚變堆建設奠定堅實(shí)的科學(xué)基礎。按照項目的進(jìn)度，明年5月份將通過(guò)國家發(fā)展改革委組織的驗收。

我們在材料的性能研究、導體的性能研究、超導磁體、真空室、偏濾器部件、等離子體與材料相互作用方面開(kāi)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(guò)200億歐元的國際合作項目，共有35個(gè)國家，人口占65%以上，GDP占80%以上。ITER項目的目標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，我們承擔了中國超過(guò)75%以上采購包的任務(wù)，而且所有的產(chǎn)品都實(shí)現了三個(gè)100%，100%的國產(chǎn)化、一次性合格及準時(shí)交貨，得到了ITER國際組非常高的贊譽(yù)。

包括對于導體的國產(chǎn)化，我們推翻了ITER原有的電源設計，避免了大的風(fēng)險。通過(guò)國際競標，在價(jià)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(gè)磁體重大于400噸，該項技術(shù)獲得了2000年度中國專(zhuān)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)指導書(shū)的編制和關(guān)鍵技術(shù)的解決，總裝過(guò)程的啟動(dòng)也得到了習近平總書(shū)記的賀信。

在進(jìn)行現有工作的同時(shí)，我們也在開(kāi)展了未來(lái)中國聚變工程堆的設計，2017年，由等離子所的所長(cháng)作為項目負責人承擔了科技部接近兩億元的專(zhuān)項，主要是完成中國未來(lái)聚變工程堆CFETR(中國聚變工程試驗堆)的設計，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(guò)了國家組織的專(zhuān)家驗收，現階段我們已經(jīng)完成了針對未來(lái)聚變工程堆所有的工程設計。

經(jīng)過(guò)這么多年的聚變發(fā)展和積累，我們已經(jīng)與40多個(gè)國家超過(guò)120家單位開(kāi)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，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首個(gè)聚變的協(xié)作中心，便于我們更好地開(kāi)展聚變的國際交流與合作。

未來(lái)規劃與展望。目前整個(gè)聚變已經(jīng)成為國際熱點(diǎn)，基于這種情況，無(wú)論從中國科學(xué)院來(lái)說(shuō)還是安徽省，還是聚變新能來(lái)說(shuō)，也是考慮一種新的體制，推動(dòng)整個(gè)聚變的發(fā)展，我們首先瞄準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(lái)汽車(chē)和中國石油，共同成立了聚變新能(安徽)有限公司，整個(gè)公司秉承著(zhù)研發(fā)和商業(yè)運用共同推進(jìn)整個(gè)聚變商業(yè)化的過(guò)程，加快其實(shí)施過(guò)程。截至目前，公司和等離子所團隊進(jìn)行了非常充分的融合，兩個(gè)團隊加在一起參與發(fā)展聚變的人員已經(jīng)接近2000人。

現階段我們公司和中國科學(xué)院的主要目標就是建設燃燒等離子體聚變能試驗裝置BEST(緊湊型聚變能實(shí)驗裝置)，聚變功率20～200兆瓦，要實(shí)現燃燒等離子體長(cháng)時(shí)間穩定安全控制，并且在國際上首次實(shí)現在聚變裝置上面產(chǎn)線(xiàn)氚的實(shí)時(shí)產(chǎn)生、提取和循環(huán)加料。對于BEST來(lái)說(shuō)，我們將在世界范圍內首次演示聚變能發(fā)電，整個(gè)裝置將成為未來(lái)十年唯一的氘氚燃燒的聚變裝置。作為氘氚裝置來(lái)講有很多，但是真正能夠達到燃燒狀態(tài)的，在未來(lái)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(jìn)程，降低商業(yè)應用風(fēng)險。

BEST園區在去年6月份已經(jīng)正式開(kāi)工，目前整個(gè)主機大廳的施工、負二層的施工已經(jīng)全部完成，整個(gè)園區占地面積接近300畝，是非?？岬囊粋€(gè)園區。預計明年能夠見(jiàn)到這個(gè)園區的真實(shí)面貌。

為了保障我們裝置的建設，以及為未來(lái)商業(yè)化做準備，我們積極地保障供應鏈，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(shí)共有60家單位，截至目前已經(jīng)有156家單位參與了整個(gè)聚變產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。同時(shí)我們聯(lián)合1080家上下游供應商，共同推動(dòng)整個(gè)聚變的發(fā)展，在聚變堆材料、工藝、裝備、檢測、運維等方面開(kāi)展前期攻關(guān)以及相應的合作。