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聚变60年

已有 7901 次阅读 2018-10-8 17:11 |个人分类:学海无涯|系统分类:科研笔记| 聚变, 等离子体

 

聚变60

 

六十年前,第二届国际和平利用原子能大会于195891日至18日在日内瓦召开;来自69个国家、地区和9个专门机构的代表和顾问2692名、观察员3651名和新闻界代表911名出席了大会。

 

这次大会第一次在国际上解密、公开了受控核聚变能源研究的进展情况,堪称国际受控核聚变元年(要到1960年代,才有激光的发明、惯性约束聚变概念的提出)。这次会议中国派出了代表团参加,在回程经过西伯利亚的漫长旅途上,聚变界的前辈王承书先生在翻译会议资料时,第一次把plasma这个词翻译成等离子体”(参见拙作《三八节、女科学家及“plasma的汉语译名的来历》)。所以1958年也是中国等离子体物理元年

 

六十年来,最值得聚变人骄傲的一点,就是聚变研究(严格来说是磁约束聚变研究)堪称国际合作的典范。

 

1980年代,美苏开始结束冷战、签署大规模削减核武器条约,提到同时也该为和平利用核能做一点事情。当时双方想到唯一可以合作的就是磁约束聚变研究;并与欧日一起发起了国际热核聚变实验堆”计划(International Themonuclear Experiment Reactor Project;简称ITER计划)。也是1980年代,中美签订了科学技术合作协定。30多年了,唯一坚持下了来的项目,也是磁约束聚变研究。在中美贸易战的背景下,今年的双边会议在西安召开。但合作热情不仅不减,而且进一步深入。

 

当然,ITER计划也是几经风雨:

 

先是1990年代初期苏联解体、美国经济衰退,当年的这两个发起国都退了“群”,剩下被拉进来做陪衬的欧日反而坚持下来,直到2006年中美同时加入(相差一天),俄韩印再凑成七方,开始新的ITER计划;后来则是两届日方干事长“当政”期间将计划一再延期,引发全世界质疑声——还引起了国际上关于聚变三、五十年就实现”的调侃:30年前就说:聚变三、五十年就实现”,30年过去了还是说“聚变三、五十年就能实现”!

 

其实最早(1950年代)的说法是:聚变三、五年就能实现!

 

传说当年美国聚变界的领袖人物(仿星器的发明者、普林斯顿等离子体物理国家实验室(PPPL)创始人)Spitzer教授对刚刚进入聚变领域的年轻人说:这是一个非常令人鼓舞的工作!但是很可惜,过几年你又得找工作了——因为再有三、五年聚变就实现了!

 

这反映出人们对最终获得聚变能源的艰难程度的逐步认识过程:从过分乐观到过于悲观。事实上,国际合作聚变研究距今也不过60年而已,且“三、五十年实现聚变”也只是在上世纪七、八十年代才提出的。当时正是中东石油危机威胁西方经济发展,PPPL大规模招收年轻人开展聚变研究。目前世界上现存或者曾经有过的最大聚变研究装置TFTRJETJT-60(U)等也都是那时候开始设计、建设的。如果从这些装置运行开始算,距今也就是三十多年。

 

国际聚变研究的第一个十年(1958-1968)是百家争鸣”时期。主要的磁约束聚变概念:托卡马克(Tokamak)、仿星器(Stellarator)、磁镜(Mirror)等等都是这一时期大行其道的。紧接着则是“独尊儒术”的托卡马克时代。

 

世界上第一个托卡马克装置(苏联的T1)也是在1958年开始运行的。所以1958年也是托卡马克元年。托卡马克的第一批实验结果在1965年正式发表,可惜美国的Spitzer先生根本不相信(dismiss the results)!1968年,托卡马克的第二批结果出来了:远远好于当时所有其它装置的结果!担心西方国家的同行们继续采取“不相信”的态度,苏联人邀请了英国科学家去 Kurchatov Institute独立地诊断、测量这些参数。欧美人对这一“打脸”结果的阿Q式解嘲是这样说的:因为苏联人的诊断仪器落后、测量精度不够,英国人测到的结果比苏联人自己宣布的还要好!

 

这开启了聚变研究的托卡马克时代:直到现在正在建造的ITER,仍是一个托卡马克装置。

 

1970年代,一批托卡马克装置开始建造、运行(包括中科院物理所的CT-6);1980年代,在前10年的研究基础上,一批从今天的尺度看仍然是大型的托卡马克装置(如美国的TFTR、欧洲的JET、日本的JT-60)开始建造、运行;1990年代,JETTFTR相继做了氘氚聚变实验、且以验证稳态氘氚聚变运行、获得聚变净能源为目标的ITER开始设计。。。——基本是10年一个台阶,其发展速度甚至比芯片技术发展的Moore’s Law还要快!如果不是1990年代美国聚变研究计划的大规模“下马”和后来的“退群”,ITER可能早已经氘氚运行了。

 

这是国际聚变研究60年给我们的第一个教训:像聚变能源这样长期的、关系全人类未来的大科学工程,必须有长远的、连续性的规划,而不能急功近利。这一点,欧洲人、中国人、日本人做得都比美国好。——这是方向性问题。

 

当然还有技术路线上的问题。

 

1990年代美国聚变研究计划的大规模“下马”,一个重要原因是TFTR的失败。

 

TFTR,全称:Tokamak Fusion Test Reactor!顾名思义,这个装置就是奔着实现获取聚变能源去的,与我们的CFETRChina Fusion Engineering Test Reactor)近乎“同名”:Tokamak现在已经不需要强调了(反而不是托卡马克的需要体现出来),我们只是改成“中国”、再加上了“工程”一词,强调侧重点。反而是后来建的JETJT-60,在名称上更加保守(Joint European TorusJapan Torus-60)。但是TFTR的致命弱点是圆截面设计、且不能改装偏滤器,所以在相对物理参数上一直不如晚些时候设计、建造的DIII-DJETAsdex-U这些装置。作为第一个提出以“Fusion”为目标的装置,其第一次氘氚聚变实验是1994年。反而是设计、运行更晚的JET率先在1991年进行了氘氚聚变实验。TFTR得到的10.7 MW的聚变功率也被JET得到的16 MW所超过。而Q(输出的聚变功率与输入的加热功率之比)= 0.67(聚变功率16 MW/加热功率24 MW)的世界纪录,目前也是被JET保持的。【需要说明的是:JT-60进行的氘氘聚变实验,按照其折算的氘氚聚变功率,可得到Q = 1.25。但是,这只是一个理论估计;真正在这个温度、密度和能量约束条件下做氘氚聚变实验,得到的聚变功率很可能没有那么高。所以国际上仍认为目前的聚变研究还没有达到Q = 1breakeven条件。】

 

比较一下:TFTR的环向磁场是6 T(特斯拉),最大加热功率51 MW;而JET的环向磁场是3.45 T,最大加热功率38 MW。所以JET胜出,主要原因是其用了D形截面、偏滤器设计。

 

这是国际聚变研究60年给我们的第二个教训:技术路线要对头!

 

美国在1990年代后期,因为TFTR的问题,开始强调“替代(即替代托卡马克)概念”(alternative concept)。记得当时笔者到等离子体所,见到当时的所长霍裕平院士,提到这一趋势;霍先生斩钉截铁地说:“什么“替代概念”?!不要信他们!还是要坚持托卡马克的技术路线!”当然在坚持中也不断提出新概念:沿着这条路,苏联人提了超导、德国人做了偏滤器、中国人实现了全超导、MIT强调了强场。。。一路走下来。

 

——这是路线性问题。

 

如今在ITER计划在各方共同努力下、在欧方(法国)干事长的推动下,终于做到按时间表”on schedule)推进,计划2035年实现氘氚运行;中国的CFETR也完成了概念设计、进入工程设计。但是,就托卡马克时代来说,比起1968-1998年这前30年,1998-2018这后20年的进展步子确实慢下来了。关键问题就是1980年代之后没有建造新的大型装置(后来建的Asdex-UEASTKSTAR等等都是中型装置)。1990年代到2000年代本应该是ITER时代,却成了“蹉跎岁月”。这20年的ITER“蹉跎”,形成了聚变研究的低谷,是“三、五十年实现”成了调侃的主要原因。但是正是这段时间,成为中国磁约束聚变研究的机遇期,给了我们弯道超车的机会。把握住,就走在世界前列;到2058年,国际聚变研究百年之时,再回顾,我们就可以骄傲地说:人类驾驭聚变能源的梦想,在我们手里实现了!

 

同行们,努力!




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