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刘志宏:磁约束核聚变发展及展望

2024-09-19 13:51:07 中国能源网

聚变新能(安徽)有限公司副总经理 刘志宏:

我来自聚变新能(安徽)有限公司,同时在等离子所任职。目前核聚变的方式大概有三种,第一种是太阳,太阳是一个巨大的聚变的球体,是一个等离子的球体,靠着它的质量、引力,把反应物质牢牢地约束在一起。第二种是常听到的惯性约束激光聚变的方式,更多地应用于激光武器等方面。能源的聚变更多需要持续的、长久的、稳态的,科学家们就提出了利用磁场去约束等离子体,使其在一定的空间内不断进行运动、加热,使聚变的原料发生聚核反应的方式,它的反应更加贴合我们对于能源使用的要求。而且对于这样一个装置来说,我们把它中间所有的磁铁或者线圈都变成超导,那么它就变成了一个超导的磁约束的托卡马克装置。

接下来报告一下磁约束核聚变的研究进展,特别是针对全超导托卡马克方面。等离子所建造了世界上首个全超导托卡马克装置“东方超环”,科学目标是稳态长脉冲运行模式发展与物理集成,1兆瓦电流、1亿度,1000秒的放电时间已经分别实现。接下来的目标是瞄准能源三大目标同时实现。取得了200多项重大关键技术突破,并且通过持续攻关,发展核心技术与方法,为高参数稳态的等离子体运行奠定基础。

装置从2006年建成到现在已经稳定运行18年,两次获得国家科技进步一等奖,四次获得中国科技十大进展新闻。2021年,整个装置也创造了1.2亿度、101秒以及1.6亿度、20秒高温等离子体的世界纪录。同年年底,整个装置实现了1056秒,长达17分钟稳定的放电,从而使大家对于整个聚变瞄准能源方面持续的运行成为可能。在此过程中也验证了千秒量级时间尺度下的高温等离子体稳态运行的工程和技术,偏离器、水冷结构等技术都得到了非常充分的验证。

2023年4月份,整个装置又实现了可重复的403秒更高功率或者更高等离子体参数的约束模式的运行,这个400秒的长脉冲高约束膜等离子运行,也是ITER(国际热核聚变实验堆)装置首选的运行参数。这一成果的取得也被国际30多家科研机构给予了非常高的评价。并且为ITER以及未来的聚变堆高约束长脉冲的持续运行提供了直接的技术和物理的支持。

2018年,等离子所拿到国家“十三五”的重大科技基础设施综合研究设施,掌握了一些关键技术,同时开展一些先进的测试平台的建造,建成之后将是世界上参数最高、功能最全的瞄准于未来聚变堆的综合研究平台。整个平台通过对19个系统的建设,目前已经建成了16个,实现关键部件完全的自主设计、研制以及针对于聚变长远的规划。通过这样一个设施的建设,将为我们聚变堆建设奠定坚实的科学基础。按照项目的进度,明年5月份将通过国家发展改革委组织的验收。

我们在材料的性能研究、导体的性能研究、超导磁体、真空室、偏滤器部件、等离子体与材料相互作用方面开展了很多研发,并且成功取得了一系列创新。我们深度参与了ITER项目,ITER是由中、美、日、韩、印度、欧盟和俄罗斯七方携手,总投资超过200亿欧元的国际合作项目,共有35个国家,人口占65%以上,GDP占80%以上。ITER项目的目标就是去验证聚变能和平利用的工程技术可行性。在ITER项目中,等离子所也抓住机遇深度参与,我们承担了中国超过75%以上采购包的任务,而且所有的产品都实现了三个100%,100%的国产化、一次性合格及准时交货,得到了ITER国际组非常高的赞誉。

包括对于导体的国产化,我们推翻了ITER原有的电源设计,避免了大的风险。通过国际竞标,在价格高于日本和俄罗斯的情况下,成功地拿到了世界上难度最大、重量最高的PF6磁体,目前已经安装到了ITER的主机大厅,整个磁体重大于400吨,该项技术获得了2000年度中国专利金奖。

我们与中核共同参与并拿到了ITER的总装任务,针对关键技术、针对作业指导书的编制和关键技术的解决,总装过程的启动也得到了习近平总书记的贺信。

在进行现有工作的同时,我们也在开展了未来中国聚变工程堆的设计,2017年,由等离子所的所长作为项目负责人承担了科技部接近两亿元的专项,主要是完成中国未来聚变工程堆CFETR(中国聚变工程试验堆)的设计,全国50家科研院所、高校、企业约800人共同参与。该项工作于2021年底通过了国家组织的专家验收,现阶段我们已经完成了针对未来聚变工程堆所有的工程设计。

经过这么多年的聚变发展和积累,我们已经与40多个国家超过120家单位开展了深入合作,建立了非常良好的合作关系。而且中美、中法、中俄等研究中心也得到了非常好的运转,我们的沟通交流都非常顺畅频繁。我们也拿到了国际原子能机构首个聚变的协作中心,便于我们更好地开展聚变的银河真人|国际交流与合作。

未来规划与展望。目前整个聚变已经成为国际热点,基于这种情况,无论从中国科学院来说还是安徽省,还是聚变新能来说,也是考虑一种新的体制,推动整个聚变的发展,我们首先瞄准国家对能源的重大需求,采用新型举国体制的优势,建立了由政府、研究所、企业共同助力的方式,集试验研究、工程示范和商业应用于一体的商业化的攻关体系,我们在2023年由安徽省合肥市的国有企业携手中国科学院、蔚来汽车和中国石油,共同成立了聚变新能(安徽)有限公司,整个公司秉承着研发和商业运用共同推进整个聚变商业化的过程,加快其实施过程。截至目前,公司和等离子所团队进行了非常充分的融合,两个团队加在一起参与发展聚变的人员已经接近2000人。

现阶段我们公司和中国科学院的主要目标就是建设燃烧等离子体聚变能试验装置BEST(紧凑型聚变能实验装置),聚变功率20~200兆瓦,要实现燃烧等离子体长时间稳定安全控制,并且在国际上首次实现在聚变装置上面产线氚的实时产生、提取和循环加料。对于BEST来说,我们将在世界范围内首次演示聚变能发电,整个装置将成为未来十年唯一的氘氚燃烧的聚变装置。作为氘氚装置来讲有很多,但是真正能够达到燃烧状态的,在未来十年只有BEST,而且我们的BEST也将成为高水平科技自立自强的代表性工程,全面引领聚变科学和工程技术,加快聚变工程化进程,降低商业应用风险。

BEST园区在去年6月份已经正式开工,目前整个主机大厅的施工、负二层的施工已经全部完成,整个园区占地面积接近300亩,是非常酷的一个园区。预计明年能够见到这个园区的真实面貌。

为了保障我们装置的建设,以及为未来商业化做准备,我们积极地保障供应链,发展产业链。2023年由新能公司、中国科学院等离子所等一些央企国企共同发起成立了中国聚变产业联盟。去年发起时共有60家单位,截至目前已经有156家单位参与了整个聚变产业联盟。同时我们联合1080家上下游供应商,共同推动整个聚变的发展,在聚变堆材料、工艺、装备、检测、运维等方面开展前期攻关以及相应的合作。




责任编辑: 张磊

标签:磁约束核聚变