http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2011-11-05
愈走愈近的“人造太阳”——热核聚变前沿观察之一
本报记者 陈瑜
今年年底，由我国承担的ITER计划任务中的首个导体部件将出关运往欧洲，这意味着我国ITER采购包制造迈出标志性的一步。
ITER计划，即“国际热核聚变实验堆”计划，是人类将氢的同位素——氘和氚两个轻原子核聚合成较重的原子核并释放出能量的一次大胆尝试。由于核聚变也是太阳产生能量的原理，因此，ITER计划又被形象地称作“人造太阳”。在法国卡达哈什，“人造太阳”初现雏形——一个用来容纳反应堆装置的17米深的大坑已经挖成，施工人员正在里面安装用以防震的500根强化钢筋混凝土柱。
以上种种都在为一个被追问了多次的问题——“人造太阳”的未来，做着注解。
一个烧钱的“太阳”
谈及核聚变，不得不提及上世纪50年代初人类就实现的氢弹爆炸。但要利用聚变时释放出的巨大能量，必须对剧烈的聚变核反应加以控制，这就是受控核聚变。
ITER计划的目的是建造一个聚变实验堆，探索和平利用聚变能发电的科学和工程技术可行性，为实现聚变能商业应用奠定基础。该计划早期被称为“强国俱乐部”，它在1985年由美国和前苏联两国首脑倡议提出，由美、苏、欧、日共同启动。但进展并没有想象中快，从1988年开始概念设计到2001年完成《工程设计最终报告》，就花掉了13年。
1998年，美国退出ITER计划。但在2003年我国正式加入该计划谈判期间，美国又重返这个“俱乐部”。2005年6月，中、欧、日、韩、俄、美6方共同签署了《ITER场址联合宣言》，确定将ITER场址设在卡达哈什。当年底，印度加入ITER计划谈判。2007年10月24日，ITER组织正式成立，ITER计划进入装置建造阶段。
这项号称本世纪最为雄心勃勃的能源科技合作项目，总投资达百亿欧元。
有人认为，钱是制约ITER发展的大问题。
中国国际核聚变能源计划执行中心副主任丁明勤介绍说，ITER项目的费用估算是以KIUA为单位的（1KIUA=1百万美元）。2001年的成本是以1989年美元不变价格来估算的，时至今日，相关材料、人工等制造费用都大幅增长，以现在货币价格计算的建造费用显然要大于原来的预估值。
ITER组织成立后，对设计进行了评估，修改了一些设计（采用了一些新的技术、重新考虑了设备安全等），建设成本有所增加，但ITER组织已经采取并在继续采取相应的费用控制措施，包括控制项目支出、控制人员规模、节约办公成本等。
ITER计划是有7方34个国家参与的国际合作计划，前进道路上的曲折是显见的，但是ITER也是7方34国对全世界的坚定承诺。虽然7方有不同的决策机制、不同的文化，但“信誉”对谁都是最重要的。
商业化还得到本世纪中叶
ITER设计总聚变功率将达到50万千瓦，是一个电站规模的实验反应堆。其作用和任务是，用具有电站规模的实验堆来证明氘、氚等离子体的受控点火和持续燃烧，验证聚变实验堆系统的工程可行性，综合测试聚变发电所需的高热流与核部件，实现稳态运行。
“2019年实现第一等离子体，2026—2027实现氘氚聚变反应，在ITER装置上的研究至少要持续到2039年。”丁明勤告诉记者，负责ITER计划进度的专家说，实现第一等离子体放电，这是建设阶段的标志性时间节点。
谈及商用前景，丁明勤说，ITER计划用35年时间，建造、运行一个可持续燃烧的托卡马克型聚变实验堆，以验证聚变反应堆的工程技术可行性。
“目前，参与的7方已经开始讨论下一阶段的示范堆设计。”丁明勤说，示范堆的设计工作肯定不用等到ITER退役，其开工建设也可能不需要等到ITER退役。
国际核聚变界对ITER计划及其后聚变能源发展比较普遍的看法是，建造和运行ITER的科学和工程技术基础已经具备；再经过示范堆、商业聚变核电站（商用堆）两个阶段，聚变能商业化有望在本世纪中叶或者稍晚实现。
“相对个人的生命，人类通向聚变能大规模应用的路还较长，但相对能源替代周期来讲，这一过程却不太长。”丁明勤说。
目前，全世界有上万名科学家、工程设计和工程技术专家参与ITER装置的建造。丁明勤表示，任何科学研究、科学工程都是有风险的，但人类从来也没有在可能的风险面前停止前进的步伐。就像其他科学课题一样，有风险，也有机遇。但通过国际合作可以分担科研的风险，也可共同分享成果。
以10%的投入“换取”100%的知识产权
参加ITER计划，是我国对未来能源可持续发展做出的重大战略部署，我国政府给予高度重视与支持。据丁明勤介绍，目前对于我国来说，面临工程技术、工程管理、人才三大挑战。但丁明勤也表示：“我一直认为挑战就是应对问题，没有问题和挑战，就没有发展和跨越。”
其实，从上世纪70年代开始，我国就集中以托卡马克为主要研究途径，先后建成一系列中小型装置，并且开展多项研究。上世纪90年代，我国开始实施大中型托卡马克发展计划，探索先进托卡马克运行模式及稳态控制模式，先后建成HT-7中型超导托卡马克、HL-2A大中型常规导体托卡马克。2006年建成的大型非圆截面全超导托卡马克EAST装置，具有稳态、大拉长比及多项实验手段等特点，可以为正在建造的ITER装置开展多种前期实验研究。
虽然我国已有一些托卡马克装置，但ITER装置不是在尺寸方面简单放大，从整体设计、技术和材料等各个方面，我们都面临着全新的挑战。
ITER建设有可以预见的困难。如核聚变能源首先必须产生高达上亿度的高温等离子体；其次还要形成充分的约束，将高温等离子体维持相对足够长的时间，以便充分发生聚变反应，释放出足够多的能量等。
按照ITER谈判结果，中方承诺承担的12个采购包制造任务（即实物贡献），基本涵盖了ITER核心关键部件，涉及环向场线圈导体、极向场线圈导体、校正场线圈、磁体支撑以及磁体馈线和校正场线圈导体等，约占建造阶段我国总贡献的80%。
ITER装置不仅反映了国际聚变能研究的最新成果，而且综合了当今世界相关领域的顶尖技术。近几年，我国得益于ITER计划，核聚变水平提升很快。目前，我国建成世界首个全超导托卡马克EAST，已经实现100秒的偏滤器放电和长时间的高约束放电，工程和试验水平进入国际前列。HL-2A最高电子温度达5500万摄氏度，进入国际先进水平。
“参加ITER不是目的，最重要的是为未来自主开展核聚变示范堆乃至商用堆设计、建造奠定基础。”丁明勤举例说，参与ITER计划，我国能够以10%的投入，享受100%的知识产权。但参与计划绝不仅仅是为了拿数据和图纸，更重要的是要在参与的过程中培养、锻炼一批能够掌握和利用这些知识产权的科学研究和工程技术人才。
[科技日报]