受控核聚变：用“人造太阳”点亮能源梦想——专访核工业西南物理研究院院长段旭如

“人造太阳”生发于核聚变，是解决人类能源重要途径

《中国核电》：想要认识“人造太阳”项目的巨大作用和意义，首先要对受控核聚变的原理及优势有深入理解，对此您能做一个简单的科普吗？

段旭如：要理解受控核聚变，首先要知道什么是核聚变。众所周知，原子能的利用包括核裂变和核聚变方式。核裂变是将较重的原子核分裂为较轻的原子核并释放出能量，人类早在20世纪50年代初由苏联建成了世界上首座核电站，成功实现了原子能和平利用。而核聚变则是将较轻的原子核聚合反应而生成较重的原子核，并释放出巨大能量，太阳及恒星之所以发光发热，正是因为其内部持续不断地进行着轻核间的核聚变反应。

“人造太阳”又是怎么来的呢？人类在掌握了核聚变原理之后，早在1952年便成功试爆了世界上第一颗氢弹，但氢弹爆炸是不可控的核聚变反应，不能作为提供能源的手段。自那以后，人类便致力于在地球上实现人工控制下的核聚变反应，即受控核聚变研究，希望利用太阳发光发热的原理，为人类提供源源不断的能源。因此人们也将受控核聚变研究的实验装置称为“人造太阳”。

实现核聚变需要非常苛刻的条件。如原子核必须具备足够的能量，克服核间的库伦排斥力，相互靠得足够近，以便让短程核间吸引力发挥主要作用，从而实现核聚变反应。氢弹的爆炸就依赖于原子弹来引爆，以达到极端高温高密度条件，燃料需达到上亿摄氏度高温！

如此高温下，燃料的原子将全部电离成离子(原子核)和电子，它们组成的集合体即等离子体。但极端高温下的燃料无法用普通固体容器来盛装，为此，科学家们提出用强磁场来约束处于极高温下的聚变燃料，将足够多的燃料在极端高温条件下约束足够长时间，由此实现核聚变反应，产生聚变能。正因如此，核聚变原理虽然简单，但聚变能开发却面临一系列科学与技术挑战。人类努力了几十年，还没有实现核聚变能的和平利用。

在所有的核聚变反应中，氢的同位素——氘和氚的核聚变反应是相对容易实现的。因此，人类至今探索研究的受控核聚变是基于氘氚聚变燃料的核聚变。其中，氘可以从海水中提取，海水中氘的含量很丰富。燃料中的另一种成分氚是放射性元素，其半衰期只有12年半，自然界中储量极少，主要通过中子与金属锂发生反应而获得。所以，受控核聚变所需的直接燃料是海水中的氘及自然界中的金属锂。

核聚变能源的优势非常明显。一是燃料在地球上的储量极为丰富；二是不产生高放射性核废料，不污染环境；三是具有固有安全性等优点。所以核聚变能源是目前人类认识到的，可以最终解决人类能源问题和环境问题，推动人类社会可持续发展的重要途径之一。基于此，核聚变能源的开发得到世界各国重视。

我国研究与国际几乎同时起步，有坚实的科技基础

《中国核电》：中国申请加入ITER期间，国内聚变领域也已经开展了大量研究，这是出于什么样的想法？ 为聚变未来的发展打下了什么样的基础？

段旭如：我国受控核聚变研究早在20世纪50年代就开始了，几乎与国际上受控核聚变研究同时起步。1955年，正值我国制定“十二年科学技术长期规划”之际，钱三强以及刚从美国回来的李正武等科学家倡议在我国开展“可控热核反应”的研究，目的是为了探索核聚变能的和平利用。

1958年开始，我国磁约束受控核聚变实验研究在原二机部401所及中国科学院物理研究所等研究单位展开，并于1965年在四川乐山建成了我国致力于聚变能开发的专业研究机构——西南物理研究所。自此以后，我国先后发展了多种类型的磁约束聚变研究装置，如脉冲磁镜、角向箍缩装置、仿星器、超导磁镜、反场箍缩装置和托卡马克，于1984年在四川乐山建成了我国核聚变领域第一座大科学装置——中国环流器一号托卡马克装置，它是我国核聚变研究史上的一个重要里程碑，其成功建造与运行，为我国自主设计、建造、运行核聚变实验研究装置积累了丰富经验，培养了相关技术及实验运行的人才队伍。这些装置为我国核聚变研究从原理探索到大规模装置实验的跨越式发展奠定了坚实的科学与工程技术基础。

中国核聚变研究已转入“并跑”，部分技术国际领先

《中国核电》：中国加入ITER至今也有十几年历史了，取得了哪些成就，现在的中国聚变发展处于什么地位？

段旭如：国际磁约束聚变界通过几十年努力，在核聚变研究领域取得了重大进展，装置的离子温度、密度与能量约束时间“三乘积”提升了几个数量级，但要实现受控核聚变，关键技术上仍存在很大挑战，需凝聚全世界之力共同攻克。1985年美苏首脑提出了国际热核聚变实验堆(ITER)计划，其目的就是希望通过国际合作共同努力，建造一座核聚变反应堆，以验证核聚变能和平利用的科学可行性和工程技术可行性。

2003年，我国以“平等伙伴”身份加入ITER计划谈判，2006年11月会同欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国和印度共七方签署了启动ITER项目协定。ITER计划是目前全球规模最大、影响最深远的国际科技合作项目之一，该计划集成了当今国际上磁约束受控核聚变研究的主要科学和技术成果，首次建造可实现大规模聚变反应的聚变实验堆，将研究解决相关科学和关键技术难题，是人类受控核聚变研究走向实用的关键一步，备受各国政府与科技界高度重视和支持。

我国为什么参与ITER计划？这既有利于促进我国磁约束核聚变能研发进程及相关科学技术进步，也有利于ITER计划更好地实施。全球能源消耗日益增加，当前占主导的化石燃料能源消耗带来了严重的环境问题，没有谁能独善其身，长远来看人类也必须找到一种清洁而又资源丰富的能源取而代之。受控核聚变因其固有特点，是目前人类认识到的最理想的重要能源途径之一。参与ITER计划对我国开发核聚变能源，实现“热堆—快堆—聚变堆”核能三步走战略，也具有重要意义。还可提升我国科技创新能力，国际项目管理能力和专业技术人才培养能力，推动其他相关学科发展，加速相关技术进步和应用。

自2008年我国科学技术部成立核聚变中心以来，我国陆续承担了18个采购包的制造任务，涵盖了ITER装置重要关键部件，共有上百家科研院所、企业直接参与。在核聚变中心的领导和组织协调下，核工业西南物理研究院及中科院等离子体物理研究所等单位充分发挥在聚变实验研究装置以及聚变堆关键技术研发方面的优势，联合国内相关优势院校企业展开了技术攻关。

我国承担的ITER采购包任务进展顺利，取得了一系列技术突破，成果丰硕。比如，核工业西南物理研究院牵头研发的第一壁采购包半原型部件在2016年成功通过高热负荷测试，在世界上率先通过认证，同时也带动了我国其他相关领域技术发展。为顺利完成中方承担的ITER采购包任务，我国通过多年探索与攻关，在一些聚变堆关键技术与关键材料等方面已拥有国际先进的研发或生产能力，在服务ITER计划的同时，也带动了这些领域及相关行业的技术升级。比如，西部超导材料科技股份有限公司获得自主知识产权的ITER用超导线材制备技术并向ITER计划批量供货，对中国超导及合金的研发起到了重要推动作用；2019年9月30日ITER组织总干事比戈代表ITER组织与中核集团牵头的中法联合体正式签订了国际热核聚变实验堆主机安装1号合同(TAC1)，这是有史以来中国企业在欧洲市场中竞标的最大核能工程项目合同，该合同的签订标志着我国核聚变技术与人才积累、核电建设能力以及国际影响力获得国际聚变界认可。

我国以“平等伙伴”身份加入ITER计划，贡献比例约占9%，其中70%以上以实物贡献方式(即研发制造ITER装置部件)。目前，我国按时、高标准、高质量交付了有关任务，采购包完成质量与进度均走在ITER七方前列，有力推动了项目实施，得到参与各方充分肯定。另外，我国用约9%的投入分享到ITER的全部知识产权，将为我国建造自己的核聚变试验堆提供必要的技术储备。通过参与ITER计划，相关科研实力得到极大提升，相关领域研发和技术水平也取得长足进步，通过国际大科学工程的带动，中国核聚变研究已由跟跑转向并跑，部分技术达到国际领先水平。

此外，中国在托卡马克实验和物理研究方面也取得了长足的进步，取得了一系列创新性成果。比如，HL-2A装置实现由低约束模式到高约束模式的等离子体运行，使我国成为继欧、美、日之后成功实现了高约束模式运行的少数国家之一。EAST装置则率先实现了百秒量级高约束模式运行，这也是非常重要的成果。

自加入ITER计划以来，我国核聚变研究事业蓬勃发展，极大促进了国内核聚变研究的交叉融合发展，专业科研院所和包括北京大学、清华大学、中国科学技术大学、华中科技大学、四川大学及大连理工大学等在内的各大高校相互协作，取长补短，科研队伍不断扩大，为我国受控核聚变研究培养了团队，储备了人才。

CFETR研究正深入开展，未来五个方面共同努力

《中国核电》：中国已在着手设计自己的聚变实验堆，能具体介绍一下该项目的进展以及下一步中国聚变的发展么？

段旭如：参加ITER计划是我国磁约束核聚变能研发计划中关键一步。目前ITER计划已全面实施，我国自主建造未来聚变堆仍面临一系列关键科学与技术挑战，需提前布局，一一攻克。因此，我国聚变界根据中国核聚变研究发展现状制定了发展路线和目标。2011年开始的中国聚变工程试验堆(CFETR)设计研究，就是该路线的一个重要方面。

CFETR主要瞄准几个方面：1)利用多种运行模式实现“自持聚变燃烧”；2)研究和发展氚增殖和取能技术，实现“氚自持”；3)进行聚变科学、材料、部件等方面研究并建立核数据库；4)建立系统的聚变堆核安全架构及聚变堆标准体系。在过去的几年里， CFETR的研究正在深入开展，项目集中了相关研究单位的骨干力量，共有三十多家研究院所与高校共同参与，目前正集中力量开展CFETR的工程设计研究。

受控核聚变有望于本世纪中叶实现和平利用。立足我国磁约束核聚变研究现状，下一步我国核聚变的发展应充分利用ITER的建设与运行，重点进行人才培养与技术储备，瞄准自主设计建造聚变堆，开展ITER未涵盖的未来聚变堆关键技术攻关。可从这些方面开展：

一是以参加ITER计划为契机，积极开展国际合作，高质量完成ITER采购包任务，确保ITER计划顺利实施，并全面掌握执行过程中产生的经验、知识和技术；二是积极协调组织国内核聚变研究团队，利用我国的HL-2A、EAST 以及HL-2M等平台，培养参与ITER运行和实验的技术力量与人才队伍，并充分利用ITER，为我国聚变工程试验堆设计建设与运行提供科学和技术支撑；三是瞄准设计建设聚变工程试验堆，开展聚变堆总体设计、聚变堆芯关键技术研发、包层部件关键技术与系统研发，发展聚变能源开发的关键技术；四是建立健全我国聚变堆的核与辐射安全法规、导则和技术标准，建设和完善国家核聚变能源研发体系；最后一点就是要培养并造就一支稳定的高水平核聚变研发队伍和聚变堆设计队伍，培育和带动一批企业全面参与聚变堆关键技术与部件设计制造。

总之，我们坚信，通过大家共同努力，“人造太阳”一定能闪耀在世界的东方，点亮我们的能源梦想。