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万元熙-中国工程院院士

开发聚变能源、实现人造太阳梦想

中国工程院院士  万元熙

万元熙-中国工程院院士(图1)

 

发言摘要:

今天我报告内容大体上涉及四点,一个就是控制核聚变反应,也就是人造太阳最终的目标就是要可以控制的核聚变反应,在太阳上面源源不断发生的就是核聚变反应,地球上面氢弹爆炸也是聚变反应,可以控制的热核聚变反应在地球上面还没有实现,一旦我们能够实现可以控制的氢弹爆炸,不让它爆炸毁坏我们的环境或者杀伤人员等等。

我们类似于太阳一样在一个聚变反应当中源源不断实现可以控制的核聚变,核聚变反应将会发出无限制清洁的核聚变能源,可控核聚变研究目标就是我们通常所说人造太阳,这个过程当中我们面临巨大的挑战,也取得了重大的进展。实际上有两种核能,刚才董先生还问我,裂变核能是现在的裂变电站,它的前身就是原子弹,原子弹爆炸完以后所有人都认为这么巨大的能量能不能用来发电?十多年的功夫,我们建成以原子弹为基础核裂变作为基础的原子能电站,现在全世界已经有400、500座各种不同类型、各种不同的规模的裂变电站。

刚才董先生问我说华龙一号正式宣布是自主知识产权建造的首座核电站,自主知识产权如果我们具有,就意味着我们可以要造多少就可以造多少,我们可以为国外造也可以为自己造,不会受到具有知识产权国家的垄断和控制。除了核裂变以外,自从氢弹爆炸以后人们也自然想到这个聚变反应蕴藏的能量,获得能量远比裂变更大,而且燃料是氢的位数氘和氚,氘存在海水当中,非常的丰富,氚是人造的,自然界当中没有,可以通过核反应当中生成宗旨用锂来生产出来,氢弹爆炸基本原料基本上是氘和氚,来自于锂和氘。

氢弹爆炸聚变反应放出更大能量,有两种核能,一种裂变核能,另外一个聚变核能,这两个核能如果不可控制就是武器,可以控制也许就建裂变电站或者聚变电站。太阳上无穷尽的能量来源于核聚变反应。太阳上是氢和氰的聚变反应,条件在极高温度、极大尺度之下和极高密度下,太阳源源不断在它的心部发生氢和氰的核聚变反应。其实,太阳是一个巨大的氢气球,只不过太阳太巨大了,微小的万有引力就把所有非常轻的氢气聚集在太阳体积之内,以至于太阳氢的密度极高,这种情况下太阳心部温度只要数千万度,加上极高密度以及极大的体积,不要加任何人为控制就可以源源不断发生聚变反应,放出源源不断巨大的能量。

现在我们说可再生能源:阳光、水利等等都是直接或者间接来自于太阳,太阳来自于聚变反应,归根到底搞聚变的人说现在的可再生能源绝大部分跟植物有关、跟太阳光有关,跟风气、水流动有关都是来自于太阳上的聚变反应。除了氢和氰聚变反应之外,实际上在宇宙当中或者地球上面存在着多种反应,比如氢弹氘氚反应,还有太阳上的轻氢聚变反应,资源几乎无限的。氘氚聚变反应是地球上最容易实现的,但是他的资源有限,因为地球上没有氚。

除了这以外,还有氘氘反应、氘氦反应、氢通反应。月球上有非常丰富的氦山,有巨大的能量,且没有放射性,非常干净。我们还有氢铜反应,这是最清洁聚变能源,我为什么说这些,大家不是专家,但是大家知道聚变反应不光是氢弹氘氚反应,是有多种。

现在说的聚变反应有多种,在人类科学技术掌握不同程度、不同级别,可以实现不同级别、不同优点的聚变反应。我们说核聚变能是最理想的清洁能源,假如有一个一百兆瓦也就是一百万千瓦的电站,一年源源不断发出电能过程当中要消耗原材料相比较一下,如果用煤炭250万吨,两万节火车车箱,如果用石油要130万吨,11个超级油轮,如果用裂变电站只要用30吨裂变燃料一卡车左右,但是有高放射性废物放出。尽管有核能,像日本的福岛实践都是裂变电站存在一些问题,如果没有高放废物泄露出来也没有关系,但是有高放废物的影响极大。

如果用太阳大家都说干净清洁的,太阳能没有烧燃料的问题,但是需要面积。一个百万千瓦太阳能电站,至少要占三万亩的土地,而且受天气情况影响很大。如果用氘氚聚变实现,实现一百万千瓦电能,一年下来只要消耗五百公斤氘氚混合燃料就可以了,而且没有任何的放射性的废物排出,只有450公斤的惰性气体氦,所以核聚变能相对于其他各种能源来说是最理想的清洁能源。

结论是相对于化石能源和裂变核能,聚变核能是未来人类更理想的新能源。简单通俗的说,我们如果能够实现人造太阳,一个一个聚变能电站,因为资源无限、没有二氧化碳排放、没有放射性或者无长放射性废物。因而,如果成功掌握人造小太阳,将为我们提供清洁的、几乎是无限的、可持续发展的理想新能源。

这么好的一件事,全世界研究到现在差不多花了50多年时间,我们还离真正造出人造太阳有一段距离,因为我们面临着至少两个巨大的挑战:一个巨大挑战就是受控核聚变,要让聚变燃料发生聚变反应必须把聚变燃料加热到极高温度,太阳上面密度非常高要几千万度就可以发生大量聚变反应,在实验室装置当中如果要实现大量聚变反应,第一要把聚变燃料加热极高温度,加热多高温度决定于密度是什么样的燃料,如果密度非常低你的温度就要非常高,小太阳已经得到了一亿度高温,二亿度高温比太阳上高十倍,不比太阳高十倍是非常困难的,但是离实现大量聚变反应远的很。原因就是在实验室密度非常低。

如果说密度也高、温度也高,假如就像这个房间一样四面都是窗户刚刚达到聚变条件全漏掉了,凉下来了也不能发生反应,所以要把聚变燃料加热到极高温度还要一定的密度,还要有非常好的预测条件,这一件事情叫做密度、温度和能源约束三层级是判断任何一个聚变实验装备。

现在全世界包括中国宣传说,建一个小小的装置就实现人造太阳,那是愿望,真正人造太阳是要投入巨大的精力,巨大的努力、巨大的财力、物力,也许才能达到,还有可能达不到。因为,聚变的三层级一定要大于10的21次方米的立方秒和千万度的温度,而不是单独一个。

即便达到这个条件,聚变燃料就像火柴亮起来,可是只有一根火柴也不能获得很高的能量,就像你家买了一千瓦灯泡,用一分钟只使用一点点电能,假如一百瓦灯泡点十年不断,消耗的电能就很大。所以第二件巨大挑战,如果聚变三层级达到要求实现点火还要维持这个条件,一年当中不能说每天只点一小时、两小时或者几分钟,全年点起来必须稳定长时间燃料。

有什么样的办法能够约束高温等离子体使它达到聚变反应?在地球上至少有三种,一种是像太阳一样有万有引力,聚变燃料集中在一块然后发生聚变反应;另外一种惯性运输,就是激光打靶,短时间内用几百路强极光聚焦到一个氘氚的靶上,突然在短时间之内加热到极高温度,由于惯性约束不发生爆炸没有来得及爆炸之前发生大量聚变反应,这就是惯性运输。

另外一种,如果说在高温下面所有物质电子核、原子核分离出来称之为等离子体,这时候有一个磁场,所有带电粒子像糖葫芦一样串在磁场上面,磁场可以约束带电的粒子。

假如用一个磁场构成磁容器,磁容器来装极高温度、有一定密度的聚变等离子体,也许在磁容器里面能够发生大量的聚变反应,这种方法来实现就是磁约束的聚变,磁约束聚变当中有一类装置叫托克马克装置。这个装置是一种类型,就是一种环形磁容器,一个红色、绿色箭头指的重场线圈,里面电流要产生沿着环形方向磁场,黄色的箭头指的是产生另外一种磁场,合成磁场就像现在红线圈里面螺旋形线圈,这样一个典型环形磁约束的聚变装置称之为托克马克装置,由俄罗斯阿尔奇·莫维奇教授发明的,自从他发明托克马克之后,全世界用这个原理制造近百个托克马克。

在做的几十个、上百个托克马克过去50年当中,得到最重要经验定标率是什么?这个环形磁容器大半径、小半径、绿色的和沿着环形磁容器磁场强度决定了NT区别三层级,所以我这次非常粗略的说,每个人宣传做一个很小的装置说实现聚变反应是瞎扯淡,我们基本实验定标率不是来自于一个,而是近百个装置,大数据统计的结果就是能聚变三层级,聚变三层级跟装置大半径、小半径和磁场强度,要么把磁场做的非常强,要么把装置做的非常之大,如果做的跟太阳一样大不用做努力聚变反应就源源不断发生了。

托克马克聚变研究取得巨大进展,这个巨大进展是上世纪末取得的,欧洲最大三个托克马克之前,建造几十个托克马克,最后最高温度达到了两到4亿度,远比太阳心部温度高得多,高十倍或者二十倍,最高的聚变输出功率超过16个兆瓦,功率放大因子也就是聚变输出功率跟你加热它所消耗功率相比较已经达到1.25,也就是投入一块钱赚到1.25元,净赚两毛五。如果说我研究的结果费了好大能量运行装置,但是得到聚变反应能量小于输入也赚不了钱,也不能构成能源,也不能构成使用的阶段,这几个装置说明了在托克马克这种类型环形磁容器上开发聚变科学可行性得到了实验的证实,而不是仅仅是理论的证实,尽管理论做了巨大贡献。正是在这个基础上,全世界聚变讨论着,我们再建造一个更大的一磁容器装置,叫做国际热核聚变实验堆,就是更高聚变功率更高的聚变能量可以获得。

现在我就介绍一下国际热核聚变实验堆,请关注这次国际热心聚变实验堆,是从1988年戈尔巴乔夫和里根都在世的时候讨论决定的,那时候决定只准四个国家参加,美国、欧洲、日本和俄罗斯,如果其他任何一个国家参加只能做这四个的小伙伴,美国特别希望中国做它的小伙伴,中国怎么可能做美国的小伙伴,加拿大成为欧盟的小伙伴曾经参加过,做了决定经过将近20年的谈判和工作,最后在2006年终于签订了合作协议。

中国当时跟法国、欧洲关系特别好,就是希拉克跟中国政府打过招呼,希望中国政府支持这个装置,理由就是日本是竞争对象有地震有风险。所以,一度中国和欧洲在聚变研究在各个领域合作是非常紧密的,我们相互得到了支持。中国在最后时刻2006年的时候决定参加,也是中央政府做的最后决定。这样的结果,四个国家参加变成了更多国家,最早变成六个,也就是韩国、中国参加,原来的四个加在一块就是六个,最后时刻印度参加一共七个。

现在国际热核聚变实验堆建造是由七个合作伙伴共同出资建造,中国政府高层领导对此是非常关心的,胡锦涛到我们所去,习主席到我们所去看,李克强到我们所去,几乎当时中央政治局所有委员都到合肥去看人造小太阳,确切一点说是为了人造小太阳做的初始研究工作,离人造小太阳还远的很。

这就是ITER,这个装置可以产生聚变40万到70万千瓦聚变功率,反应堆总重上万吨,它是所有的实体产生环形磁容器,磁体都是超导的,所以大家非常奇怪,你们要创造上亿度高温,用超导的温度是接近绝对零度左右怎么做到一块?在技术上,各个方面给我们带来巨大的挑战。利用超导是为了另外一个目的,把这个环形磁容器由外部线圈产生,这个外部线圈不被自己电流烧毁掉,所有要用超导来做,线圈本身降的零下负的290度,让它通过大的电流产生磁场,但是没有电阻热烤不坏,那样磁体系统可以稳态连续运行。

如果在稳态连续运行磁容器,当中能够把聚变点火装置条件维持住就变成稳态的聚变反应堆,这就是所有磁体必须超导的原因,一会说一说我们国家在这方面作出巨大的贡献。

ITER装置有18个综合线圈,360吨等同于一个波音777-300飞机的重量,我们一共有18个,所有这些超导线圈总吨将近一万一千吨。这么大量利用超导材料,这是全世界科技人员推动技术进展的典型例子,因此超导工业、超导研究更加的热门,得到的更多工业界部门的支持,中国就是西部超导从一个研究所小组扩展成为一个世界上最大的能够制造先进超导研究所工厂,现在成为了上市公司。

这个磁体系统产生一个磁容器,这个磁容器被一个真空包围住,真空室提供干净的空间来放燃料,这个干净空间总重相当于埃菲尔铁塔。现在ITER进展相当顺利,大约在2025年建成放电,2035年进行氘氚运行,实现十倍收益,功率40万千万,每一次放电长度从过去几秒钟延续到400到3000秒,这是总装厂房,这是主机的机组。

中国对ITER有什么样的贡献?各个箭头指的不同部件,蓝色超导系统,红色是真空室,各个国家在1998年的时候会做出哪一样认领哪一样,这是1998年国际市场价格,看看你的份额是多少,建在哪一个国家承担50%的建造费用和运行费用等等,其他国家均摊匀下来的,中国、美国、俄罗斯、日本、韩国一起各自承担9.7%的股份,以实物不是以现钱,中国一共承担了12个采购部件,比如说中国从超导线开始,建立庞大超导导体的生产线,在等离子所建了了三条用超导线生产超导导体的车间,超导体最后跟室温电源相接,电流引线也是由中国来承担,到了世界最先进的水平。

除此之外法国这个线圈将近400吨的线圈,这个实验线圈要求交货最早,在装置最底下,一旦放在底下永远拿不出来,来不及做就委托中国做,我们在按时保值把400吨世界上迄今为止最大的超导线圈加工出来了已经运达法国,已经开始总装放到最低部去了。

这是一个中国重要的贡献,中国加入ITER做出了重要贡献,除此之外因为ITER的所有磁体都是超导磁体,我们中国率先在国际上建成全超导托克马克EAST就是在合肥。

如果线圈是超导的就降温到零下负的269度,当中的粉红色等离子有可能加热到上亿的高温去,我们现在果然做到了,这就是在2006年建成全超导托克马克,目的不是说提高聚变的参数,而是延迟聚变的长度,能够稳态运行。我们获得了世界上总长等离子放电411秒,我们获得了高约束性能的放电101秒,整个放电位型就像这样的。

中国在磁约束聚变方面取得了巨大进展,引起高层领导重视,胡锦涛来访问,习近平来访问,李克强来访问,以及其他所有领导都做了重要的批示,如果中国的经济进一步好,能源问题进一步严重,国外在进一步卡我们,我们再往前走一步、走两步完全有可能的。第三个重要的贡献,中国制定了中国磁聚变技术路线发展路线图。

这就是我们制定的中国聚变路线图,目前小装置上面做各式各样的物理研究和技术发展,积极参加ITER,我们自己要建造聚变工程实验堆,最后是瞄准圆形聚变电站,具体的时间参数是2006年到2045年通过参加ITER建造运行和实验,奠定中国自主设计建造运行聚变堆的科学技术以工程基础。大约在2020年开始,自主建设中国聚变工程实验堆CFETR,我们希望围绕聚变堆稳态运行等重要科学技术研究与ITER互补。在2025年到2060年之间,我们希望能建成中国聚变示范圆形电站。

第四个贡献,是我们即将完成中国聚变工程实验堆总体工程设计。中国工程聚变实验堆目标是聚变功率要达到1.5个G瓦,要实现稳态燃料,一年至少有5%的时间燃料,希望实现自持燃料。 

有两个重要的事情,一个超导磁体研究系统,一个是偏滤器研究系统。合肥经过多年国家大力支持、地方政府大力支持,现在在合肥有个EAST,我们成都有一个ITM托克马克,我们加入了ITER,承接ITER很多任务,我们设计完成中国聚变工程实验堆,现在又得到国家60亿地方政府和国家一起60亿联合支持建立一个预演研究基地平台。

合肥是正在建设中具有国际影响力综合性国家科技中心,合肥已经为聚变能力开发做出重要贡献,将对聚变研究给予更大的支持,合肥将成为中国和世界重要的聚变研究中心,核聚变研究已经取得重大进展,聚变能源是人类社会可持续发展最理想的新能源,通过EAST成功建造和实验,通过参加和全力支持ITER,通过聚变堆、主机关键系统研究设施建设,通过CFETR设计和关键部件预演,中国磁聚变能开发研究已经取得重大进展,如果CFETR立项建造,我国聚变能力开发研究将实现跨越式的发展,将有可能在2050年前后建成聚变实验电站,实现人造太阳的梦想,为人类社会可持续发展作出重要的贡献,中国梦聚变梦,就是人造太阳,谢谢大家!

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