中国全超导核聚变“人造太阳”获重大实验成果

　　新华社合肥１月５日电（记者蔡敏）记者５日从中科院合肥物质研究院获悉，该院等离子体所承担的大科学工程“人造太阳”实验装置（ＥＡＳＴ）又获重大实验成果，其辅助加热工程的中性束注入系统（ＮＢＩ）在综合测试平台上成功实现１００秒长脉冲氢中性束引出，初步验证了系统的长脉冲运行能力。

　　科学家们介绍说，本轮实验获得的长脉冲中性束引出，在国内尚属首次，标志着在中性束注入加热研究领域又迈出了坚实的一步。

　　ＥＡＳＴ装置辅助加热系统２０１０年７月正式立项，它是使ＥＡＳＴ具有运行高参数等离子体的能力，从而可以开展与国际热核聚变反应堆密切相关的最前沿性研究的重要系统。其主要包括低杂波电流驱动系统、中性束注入系统这两大系统。

　　ＥＡＳＴ中性束注入系统完全由自行研制，涵盖了精密的强流离子源、高真空、低温制冷、高电压及隔离技术、远程测控及等离子体和束诊断等多个科学技术领域。

　　世界最大激光器、被称为“人造太阳”的国家点火装置

　　本轮实验中，中性束注入系统团队按实验计划仅利用１０天的调试，即获得束能量３０千电子伏、束流９安培、束功率约０．３兆瓦、脉冲宽度１００秒的长脉冲中性束引出。实验在成功测试兆瓦级强流离子源性能的同时，也验证了ＮＢＩ各子系统具备１００秒的长脉冲运行能力。

　　目前获得的实验结果具里程碑性质，标志着自行研制的具国际先进水平的中性束注入加热系统已基本克服重大技术难关，为中性束注入系统在２０１３年投入ＥＡＳＴ物理实验奠定了坚实基础。

　　是国际热核聚变实验堆（ＩＴＥＲ计划）的参与国之一。ＥＡＳＴ是由中国独立设计制造的世界首个全超导核聚变实验装置，２００７年３月通过国家验收，并在近年来取得了一系列实验成果。其科学目标是为ＩＴＥＲ计划和中国未来独立设计建设运行核聚变堆奠定坚实的科学和技术基础。

　　相关知识

　　“人造太阳”即国际热核聚变实验堆计划

　　“国际热核聚变实验堆（ITER）计划”是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，它的建造大约需要10年，耗资50亿美元（1998年值）。ITER装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托克马克，俗称“人造太阳”。2003年1月，国务院批准我国参加ITER计划谈判，经过三年谈判，2006年5月24日，经国务院批准，ITER谈判联合小组代表我国政府与欧盟、、、、和共同草签了ITER计划协定，这七方包括了全世界主要的核国家和主要的亚洲国家，覆盖的人口接近全球一半。我国参加ITER计划是基于能源长远的基本需求。

　　国际热核聚变实验堆（ITER）计划，简称“（ITER）计划”，（ITER：International Thermonuclear Experimental Reactor），ITER计划［3］倡议于1985年，并于1988年开始实验堆的研究设计工作。经过十三年努力，耗资十五亿美元，在集成世界聚变研究主要成果基础上，ITER工程设计于2001年完成。此后经过五年谈判，ITER计划［4］七方2006年正式签署联合实施协定，启动实施ITER计划。ITER计划将历时35年，其中建造阶段10年、运行和开发利用阶段20年、去活化阶段5年。政府坚定支持中国参与ITER计划，胡锦涛多次就此做出重要指示。经过深入调研和充分论证，中国政府于2003年1月决定正式参加ITER计划谈判。此后，中国还积极推动谈判进程，为尽早启动实施ITER计划进行不懈努力，这期间，中国先后承办了ITER第九次和第十一次政府间谈判会议。ITER计划是目前世界上仅次于国际空间站的又一个国际大科学工程计划。该计划将集成当今国际上受控磁约束核聚变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，将研究解决大量技术难题，是人类受控核聚变研究走向实用的关键一步，因此备受各国政府与科技界的高度重视和支持。

　　核聚变研究是当今世界科技界为解决人类未来能源问题而开展的重大国际合作计划。与不可再生能源和常规清洁能源不同，聚变能具有资源无限，不污染环境，不产生高放射性核废料等优点，是人类未来能源的主导形式之一，也是目前认识到的可以最终解决人类社会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。ITER计划是实现聚变能商业化必不可少的一步，其目标是验证和平利用聚变能的科学和技术可行性。ITER计划集成了当今国际受控磁约束核聚变研究的主要科学和技术成果，拥有可靠的科学依据并具备坚实的技术基础。国际上对ITER计划的主流看法是：建造和运行ITER的科学和工程技术基础已经具备，成功的把握较大，经过示范堆、原型堆核电站阶段，可在本世纪中叶实现聚变能商业化。ITER计划是我国改革开放以来有机会参加的最大的多边国际大科学工程合作项目。参加ITER计划有利于大幅度提升我国在科学技术领域参加国际合作的层次；有利于推动我国聚变能研究开发，加快我国聚变能开发进程；有利于我国学习掌握大型国际科学工程项目的建设、管理、运行和维修经验；有利于提高我国超导技术、稀有金属材料技术、高电压技术等众多领域的研究开发能力；有利于锻炼和造就一批高水平、高素质的科研人员、工程技术人员和管理人员，为我国聚变事业的发展打下坚实人才基础。2003年1月国务院批准我国参加ITER计划谈判，经过三年谈判，2006年5月24日，经国务院批准，ITER谈判联合小组代表我国政府与欧盟、、、、和共同草签了ITER计划协定，标志着ITER计划进入全面实施的准备阶段。（霍裕平院士ITER计划中国专家委员会首席科学家、郑州大学教授，潘传红研究员 中国核工业集团公司西南物理研究院院长，李建刚研究员 中国科学院等离子体物理研究所所长）

　　2006年5月24日，国家科学技术部代表我国政府与其他六方一起，在首都布鲁塞尔草签了《国际热核聚变实验堆（International Thermonuclear Experimental Reactor）联合实施协定》。这标志着ITER计划实质上进入了正式执行阶段，即将开始工程建设，也标志着我国实质上参加了ITER计划。

　　ITER计划是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一。它的建造大约需要十年，耗资五十亿美元（1998年值）。合作承担ITER计划的七个成员是欧盟、、、、、和，这七方包括了全世界主要的核国家和主要的亚洲国家，覆盖的人口接近全球一半。为建设ITER，各参与方专门协商组建了一个独立的国际组织，各国政府首脑在过去几年中都采取不同方式对参加ITER计划作出过正式表态。这些都是国际科技合作史上前所未有的，充分显示了各国政府和科技界对该计划的高度重视。

　　ITER计划的实施结果将决定人类能否迅速地、大规模地使用聚变能，从而可能影响人类从根本上解决能源问题的进程。在全世界都对人类能源、环境、资源前景等问题予以高度关注的今天，各国坚持协商、合作的精神，搁置诸多的矛盾和利害冲突，最终达成了各方都能接受的协议，并开始合力建设世界上第一座聚变实验堆。

　　我国是一个持续高速发展的发展中大国，能源问题日益突出，因而长期以来对有可能彻底解决能源问题的核聚变能研究作了力所能及的安排，对国际上有关ITER计划的讨论一直给予高度关注。2002年底，国务院授权国家科学技术部代表我国政府参加ITER计划国际协商，并于今年决定在协商完成后的草签协议上签字。这显示了我国作为一个发展中大国对我国和对人类未来负责任的态度，以及对打开国门积极参加国际科技合作的决心。

　　如果说重原子核在中子打击下分裂放出的“裂变能”是当今原子能电站及原子弹能量的来源，则两个氢原子核聚合反应放出“核聚变能”就是宇宙间所有恒星（包括太阳）释放光和热及氢弹的能源。人类已经能控制和利用核裂变能，但由于很难将两个带正电核的轻原子核靠近从而产生聚变反应，控制和利用核聚变能则需要历经长期的、非常艰苦的研发历程。在所有的核聚变反应中，氢的同位素---氘和氚的核聚变反应（即氢弹中的聚变反应）是相对比较易于实现的。

　　氘氚核聚变反应也可以释放巨大能量。氘在海水中储量极为丰富，一公升海水里提取出的氘，在完全的聚变反应中可释放相当于燃烧300公升汽油的能量；氚可在反应堆中通过锂再生，而锂在地壳和海水中都大量存在。氘氚反应的产物没有放射性，中子对堆结构材料的活化也只产生少量较容易处理的短寿命放射性物质。聚变反应堆不产生污染环境的硫、氮氧化物，不释放温室效应气体。再考虑到聚变堆的固有安全性，可以说，聚变能是无污染、无长寿命放射性核废料、资源无限的理想能源。受控热核聚变能的大规模实现将从根本上解决人类社会的能源问题。

　　考虑到氘和氚原子核能产生聚变反应的条件，若要求氘、氚混合气体中能产生大量核聚变反应，则气体温度必须达到1亿度以上。在这样高的温度下，气体原子中带负电的电子和带正电的原子核已完全脱开，各自独立运动。这种完全由自由的带电粒子构成的高温气体被称为“等离子体”。因此，实现“受控热核聚变”首先需要解决的问题是用什么方法及如何加热气体，使得等离子体温度能上升到百万度、千万度、上亿度。但是，超过万度以上的气体是不能用任何材料所构成的容器约束，使之不飞散的，因此必须寻求某种途径，防止高温等离子体逃逸或飞散。具有闭合磁力线的磁场（因为带电粒子只能沿磁力线运动）是一种最可能的选择。对不同设计出的“磁笼”中等离子体运动行为及防止逃逸的研究（即所谓稳定性研究），成为实现受控热核聚变的第二个难点。如果要使高温等离子体中核聚变反应能持续进行，上亿度的高温必须能长时间维持（不论靠聚变反应产生的部分能量，或外加部分能量）。或者可以说，等离子体的能量损失率必须比较小。提高磁笼约束等离子体能量的能力，这是论证实现磁约束核聚变的科学可行性的第三个主要内容。除了验证科学可行性外，建设一个连续运行的聚变反应堆还需要解决加料、排废、避免杂质、中子带出能量到包层、产氚及返送以及由于聚变反应产生大量带电氦原子核对等离子体的影响等一系列科学和工程上的难题。

　　从20世纪40年代末起，各国就开发了多种磁笼途径，并由之出发，对聚变能科学可行性展开了不同规模的理论与实验探索研究。投入科学家及工程师上千人，经费总计每年超过10亿美元。各途径竞争非常激烈，其间纷争不断。在这过程中，人们对实现聚变能难度的认识也逐步加深。但从20世纪70年代开始，苏联科学家发明的“托克马克”途径逐渐显示出了独特的优点，并在80年代成为聚变能研究的主流途径。托克马克装置又称环流器，是一个由环形封闭磁场组成的“磁笼”。等离子体就被约束在这“磁笼”中，很像一个中空的面包圈，等离子体环中感生一个很大的环电流。随着各国大小不一的托克马克装置的建成、投入运行和实验，托克马克显示了较为光明的前景：等离子体达到了数百万度，等离子体约束也获得了明显效果。科学家们认识到，如果扩大此类装置的规模，有可能获得接近聚变条件的等离子体。

　　20世纪90年代，在欧洲、、的几个大型托克马克装置上，聚变能研究取得突破性进展。不论在等离子体温度、在稳定性及在约束方面都已基本达到产生大规模核聚变的条件。初步进行的氘-氚反应实验，得到16兆瓦的聚变功率。可以说，聚变能的科学可行性已基本得到论证，有可能考虑建造“聚变能实验堆”，创造研究大规模核聚变的条件。

　　由于聚变能的研究不仅关系到最终解决人类能源问题，而且还涉及众多最先进且非常敏感的技术，因此，ITER计划的形成除与科学技术本身的发展有关外，还始终与主要大国在政治和外交方面的考虑分不开。本文将主要从科学和技术角度作一些分析和说明。

　　1985年，作为结束冷战的标志性行动之一，前苏联领导人戈尔巴乔夫和总统里根在日内瓦峰会上倡议，由美、苏、欧、日共同启动“国际热核聚变实验堆（ITER）”计划。ITER计划的目标是要建造一个可自持燃烧（即“点火”）的托可马克核聚变实验堆，以便对未来聚变示范堆及商用聚变堆的物理和工程问题做深入探索。

　　最初，该计划仅确定由美、俄、欧、日四方参加，独立于联合国原子能委员会（IAEA）之外，总部分设美、日、欧三处。由于当时的科学和技术条件还不成熟，四方科技人员于1996年提出的ITER初步设计很不合理，要求投资上百亿美元。1998年，出于政治原因及国内纷争，以加强基础研究为名，宣布退出ITER计划。欧、日、俄三方则继续坚持合作，并基于上世纪90年代核聚变研究及其他高新技术的新发展，大幅度修改实验堆的设计。2001年，欧、日、俄联合工作组完成了ITER装置新的工程设计（EDA）及主要部件的研制，预计建造费用为50亿美元（1998年价），建造期8至10年，运行期20年。其后，三方分别组织了独立的审查，都认为设计合理，基本上可以接受。