“瓶中的太阳”——中物院军民融合发展探索我国惯性约束聚变能源梦纪实

□ 蒋艳　梁冯勇

“瓶中的太阳”
——中物院军民融合发展探索我国惯性约束聚变能源梦纪实

□ 蒋艳梁冯勇

惯性约束聚变是典型的军民两用技术，可用于开发未来清洁能源，其研究被钱学森称作是“在地球上人造一个小太阳”的事业。中物院近四十年来，通过军民融合方式进行全国大协作，打破西方封锁，建立起了相对完整的独立自主的惯性约束聚变研究体系，并建成了神光-Ⅲ、聚龙一号等多套大型科学实验装置。

太阳，一颗巨大的恒星，通过持续不断的聚变反应产生光和热，温暖和哺育着地球上的生命。聚变能是人类梦寐以求的能源，具有燃料来源充足、无温室气体排放、废料产生少等诸多优势，一旦实现商业发电，就好比在地球上再造小太阳，将从根本上解决人类的能源问题，被认为是人类最理想的能源。

然而，人类聚变能源的利用探索之路却崎岖坎坷。

聚变的基本原理是通过使氢的同位素结合，产生氦和中子，释放巨大能量。迄今，人类实现聚变反应的唯一方式就是氢弹爆炸。作为一种武器，氢弹能量释放是不受控的。聚变要实现在能源上的应用，必须受控、可控。

1957年，英国科学家J·劳森正在研究一个理想循环的脉冲聚变反应堆中的能量平衡问题，得出了著名的劳森判据（Lawson criterion）。他认为，实现聚变能源的受控，第一要有足够高的温度，第二要有足够长的约束时间，第三要有足够高的等离子体密度。

按照这一理论，全球科学家们把研究焦点对准了两种可能实现可控核聚变的途径：磁约束聚变和惯性约束聚变。前者，是通过强磁场来较长时间地约束高温稀薄等离子体，使之发生聚变反应。例如当前著名的“ITER计划”，其特点是密度低、约束时间长，依靠磁场把等离子体约束起来。后者，惯性约束聚变，其原理类似氢弹，是利用高能量驱动，在瞬间形成上亿摄氏度、数十倍固体密度的等离子体状态，实现氘氚靶丸热核聚变点火和燃烧，从而释放出更为巨大的能量。由于它的可控、清洁、高效和资源充足，因此它被称为“瓶中的太阳”。

与磁约束聚变不同，惯性约束聚变作为我国科学家与国际同步提出、同步研究的终极能源道路，在中国工程物理研究院已探索多年。作为我国唯一的核武器研制与生产单位，该院1967年研制成功我国第一颗氢弹。近四十年来，中物院在惯性约束聚变研究方面，打破西方封锁，通过军民融合方式进行全国大协作，建立了相对完整的独立自主的研究体系，建成了神光-Ⅲ、聚龙一号等多套大型科学实验装置，为人类探索终极能源梦想升起了“中国太阳”。

能源梦的那些年、那些事：“你们的事业是在地球上造小太阳”

“你们知道激光的名字是谁取的？神光系列又怎么得名？”在中物院，副总工程师张小民回忆起我国探索惯性约束聚变的峥嵘历程。

早在20世纪六十年代，著名科学家、曾任中物院副院长的王淦昌先生就在惯性约束聚变领域作出开创性工作，他在一篇《利用辐射照射氘氚产生中子》的论文中，独立地提出了惯性约束聚变的构想：基于爱因斯坦的受激辐射原理，把激光放大后照射氘氚产生中子。“当时中国与国外科技交流非常少，苏联也有一位科学家提出类似概念，但是他们之间是独立的，”张小民说。

10年后，也就是1973年，上海光机所研制出我国首个万兆瓦激光器，并成功进行中子实验，其实验结果最终证实了王淦昌先生的想法。而对于聚变技术途径的探索，为我国氢弹理论突破作出杰出贡献的于敏先生提出了更为具体的建议。“这就是我国惯性约束聚变的孕育阶段，这项事业就是从那个时候开始起步的。”张小民说。

“激光”这个词正是钱学森先生在1965年提出来的，1966年，他听说王淦昌的构想后，对此评价：你们的事业是在地球上人造一个小太阳。

20世纪70年代末到80年代初，拥有我国最强科研力量的中物院、中科院开始了惯性约束聚变研究合作，王大珩先生代表中科院，于敏、王淦昌先生代表中物院，相关科研团队在中国工程物理研究院组建起来。

1985年，我国首台实现两路光源、千焦耳级出光，并用于激光约束聚变科研的大功率激光器诞生。张爱萍将军亲自为它命名为“神光”，这就是目前我国神光-Ⅰ、神光-Ⅱ、神光-Ⅲ系列名称的来源。

聚焦当前 着眼长远光芒四射的“军民融合科研”

磁约束聚变和惯性约束聚变，作为全球聚变科研领域公认的两大技术路线，无不是世界各科技大国暗自角力的战场。我国的惯性约束聚变路线之所以在技术封锁的环境下，与世界科技强国并驾齐驱，正是由于它的军民两用特殊性质。

“惯性约束聚变路线的相关实验需要高温、高压、高密度条件，这实际上是与武器物理有关联的。目前，在全球科学界对于聚变能源的探索中，惯性约束聚变是一个非常典型的军民两用技术。”张小民说。

由于惯性约束聚变可用于未来清洁能源开发，各科技大国纷纷投入巨资开展研究，竞相争夺这一高技术领域的战略制高点。

美国在20世纪90年代初开始国家点火装置研究，该装置于1997年破土动工，2009年建成后，基于当时科学认识、科研水平等各方面原因至今仍未点火成功。2005年前后，法国也启动了兆焦耳级装置的研制，目前正在研究建设中。美国、俄罗斯等科技大国都投入了大量人力物力，建立起一系列超大脉冲功率装置。

在我国，首台开展高能量密度物理和惯性约束聚变研究的十万焦耳量级高功率激光装置“神光-Ⅲ主机装置”，已在中物院基本建成。作为亚洲最大、世界第二大激光装置，神光-Ⅲ主机装置共有48束激光，总输出能量为18万焦耳，峰值功率高达60万亿瓦。2015年2月，神光-Ⅲ主机装置6个束组均实现了基频光7500焦、三倍频光2850焦的能量输出，激光器主要性能指标均达到了设计要求。这标志着神光-Ⅲ主机装置基本建成，标志着我国成为继美国国家点火装置后，第二个开展多束组激光惯性约束聚变实验研究的国家。

在Z箍缩方面，2014年12月27日，中物院聚龙一号装置建设项目通过国家验收，作为国内首台多路并联超高功率脉冲激光装置，其采用超高功率脉冲装置驱动柱形金属丝阵负载，使其汽化并向轴心箍缩（即Z箍缩），技术指标达到国际同类先进水平。中物院脉冲功率技术及应用研究室主任王勐说，“聚龙一号”输出电流达到800至1000万安培，电流脉冲上升时间小于千万分之一秒，瞬间功率超过20万亿瓦，相当于全球平均发电功率的2倍。截至今年5月，该装置共进行试验近170次，取得了一批达到国际先进水平的物理实验结果。它的研制成功标志着我国成为少数几个独立掌握数十万亿瓦超高功率脉冲加速器研制技术的国家。

在国家意志的有力支撑下，一代又一代科学家不懈探索，不断打破国外技术封锁、不断冲击世界先进。光芒四射的我国最大“军民融合科研”——惯性约束聚变科研及其系列科学大型装置，不仅正为武器物理研究提供重要的支撑能力，也为人类开展远期聚变能源研究提供了重要手段。

汇聚智慧，厚积薄发终极能源梦“新萌芽”绽异彩

多年从事惯性约束聚变的科研积累、技术积累、人才积累，使中物院在该领域的探索不断深入。

2009年，中物院彭先觉院士首次提出的“Z箍缩聚变-裂变混合反应堆”构想在国际学界引起关注，两年后，中物院在国内率先启动专题论证，并创新性地提出Z箍缩驱动聚变-裂变混合能源堆总体方案。

作为利用聚变能源的“新思路”，聚变-裂变混合反应堆（简称“混合堆”）是介于聚变堆和裂变堆之间的一种次临界核反应堆，它的基本任务是解决一个重要的世界性问题——将目前核燃料资源只能维持100年的状况延长到数千年。

“当下，全球化石能源正日渐枯竭，裂变核能的大规模开发面临铀资源供应趋紧、乏燃料处置困难的现状。寻求可持续、高效安全的核能技术是人类共同追求的目标。”中物院二所聚变裂变混合能源研究中心常务副主任黄洪文说，“可控核聚变技术是有效解决核能原料来源和核污染的最佳方式，可以为人类提供清洁、安全可控的能源。中物院研究的混合堆具有可持续性强、安全可靠性高等特点，在大规模的电力生产、核燃料增殖和核废料处理等领域都有非常广泛的应用前景。”

混合堆由一个聚变堆芯和环绕该堆芯的裂变包层组成，聚变堆芯是一个独立的高能中子源，起到“扳机”的作用，裂变包层在高能中子这一“扳机”的“催化”作用下，将会以远高于现有核电站的效率发生裂变反应，稳定、可控地输出巨大能量，通过冷却水将这些能量载带出发电。

黄洪文说，Z箍缩驱动的新型混合堆具有优良的综合性能，该堆型利用Z箍缩方式使氘氚聚变产生高能中子，驱动贫铀裂变包层和氚增殖包层，能够同时实现电力生产和聚变燃料“自持”供给；全寿命期以贫铀（钍、或者乏燃料）为裂变燃料，不需要进行同位素分离和铀钚分离，可有效防止核扩散，并大大降低放射性核废料的处置压力；裂变包层始终处于深度次临界，具有天然的临界安全性，可确保在任何情况下均不会发生临界事故；裂变燃料的再生只需经过简单加热就可以除去裂变气体，效费比非常极高。

目前中物院已经提出了Z箍缩驱动聚变-裂变混合反应堆的发展规划，计划在2015年前后完成该堆型的物理设计，2020年前后建成关键单元技术的实验研究平台，2030年前后通过系统集成建成实验研究堆。此后，经过实验研究堆的总体试验研究以及系统优化与改进，适时升级并建成商业示范堆，促进和实现聚变能源的提前商用，为我国能源的可持续发展提供有竞争力的技术选项。

黄洪文介绍，目前中心已经完成了混合能源堆的概念设计，从高增益Z箍缩能源靶、重频驱动器、重频靶室、裂变包层、产氚包层、裂变燃料与氘氚燃料循环工艺、安全性等方面进行了充分论证，提出了总体设计方案。目前正在开展实验堆关键技术验证与分系统研制工作，预期2030年可以实现工程演示与应用研究。

“惯性约束聚变相当于在瓶中创造一个小太阳，其难度不言而喻。惯性聚变能源作为一种极具吸引力的长期能源解决方案，虽然还面临着许多的科学技术和工程挑战，但目前看来没有不可逾越的障碍。只要我们不懈努力，终将实现能源梦。”张小民说。

在新的历史时期，中物院按照国家军民融合发展的战略要求，以解决国家战略能源安全为己任，将聚变能源作为战略科技重点研究方向之一，该院新成立的“中物院聚变能源科学技术研究中心”正承担着这一光荣而艰巨的历史使命。未来，中物院将秉承“铸国防基石，做民族脊梁”的核心价值观，弘扬两弹精神，勇于拼搏、锐意进取，在实现人类终极能源梦想的路上，惯性约束聚变“中国太阳”必将放射万丈光芒！