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聚变60年(2)—— ITER 30年?等离子体所40年,及其它

已有 7192 次阅读 2018-10-15 16:27 |个人分类:学海无涯|系统分类:科研笔记

 

一周前写了“聚变60年”,看到一些网友的留言、也收到一些同行的评论;另有一些意犹未尽处,就再写几个字。

 

国际热核聚变能源计划中国执行中心杨长春研究员发来ITER发展情况的简短介绍(见附件),可作为对ITER计划的一个正式的说明。从最早的四方ITER算起(1988年正式启动),ITER已经30年。但实际上那时的ITER是按照L模(Low Mode 即低约束运行模式)设计的,预算100亿美元。后来2007年正式启动的七方ITER则是按照H模(High Mode 即高约束运行模式)设计的,预算50亿欧元。新ITER设计包括了原ITER计划开始后十几年的的新物理和新技术(特别是偏滤器位形下H模运行),所以预算差不多减少了一半。因此,去年ITER中国执行中心举行的纪念会的主题是:ITER十年。

 

说起十年前参加ITER,国内还是有一些疑虑的:一是觉得投这么多钱(按照当时汇率,中国贡献大概50亿人民币)是否值得?一是担心我们是否有能力拿到ITER 100%的技术。

 

十年的实践,这两个问题都有了答案:

 

一、我们承担的大约50亿的实物贡献(称为“ITER采购包”),都花在了国内 —— 这些采购包任务都是国内厂家完成的,增加的是我们自己的GDP,产生的是国内的工作岗位。【注:不要以为这是参加国际合作计划最基本的需要做到的事情。欧盟承担的磁场线圈超导材料就自己做不了,最后世界性招标,中、美、日竞争,中国中标! —— 这笔欧洲采购包的钱最后是花在了中国,增加了中国的GDP,创造了中国的就业机会!结果上月刚在意大利结束的欧洲聚变会上,他们计划的新超导聚变实验堆,还是打算买中国的超导线材!】

 

更主要的是,提升了国内制造业的水平、扩充了国内制造业的能力,为中国制造领先世界做出了贡献。其中最值得一提的是西部超导材料科技股份有限公司(简称“西部超导”)。这个公司承接了ITER磁场线圈超导线材中国采购包任务(欧洲采购包磁场线圈部分的任务最后也给了他们做)。他们不仅按时高质量(按照ITER国际标准)完成了任务,而且几乎再造了我国的超导工业:从一个几十年才生产了三十几公斤超导材料的事业单位,发展成一个年产几百吨的国际一流超导材料企业。不仅为聚变做出了贡献,而且为我国加速器制造、核磁共振装置制造等先进制造业提供了支撑。

 

—— 国家经费投资不仅完成了ITER任务、增加了GDP、增加了就业,更发展出一个高技术产业、推动了一大批先进制造业的技术进步。

 

二、中国采购包之外的90%的技术,我们也通过国内的配套项目和聚变堆总体设计基本掌握(尚有大功率射频技术、大功率负离子源中性束技术、(机器人)遥操作技术等还需要进一步努力)。特别值得指出的是:我国的工程师在接收ITER任务时,发现电源设计的问题。经过与世界顶尖专家一年多的争论,终于按照我们的方案修改了设计。(当然ITER是付给我们设计费的。)笔者前面文章说过的高温超导馈线,也是ITER按照我们的方案修改了设计、购买了中国产品。

 

今年也是中国科学院合肥等离子体物理研究所成立40周年(920日)。该所于919日(因为科大60年也是920日,所以特地错开)在合肥科学岛上举办纪念会,国内外同仁参加祝贺。值得一提的是,该所的前身是“中科院物理所合肥聚变站”,创站负责人是号称“中关村第一人”的陈春先先生。当年建站时,有人提出二机部(后改为核工业部、民用部分现在是中核集团)已经有一个聚变研究所(1965年建立的585所,现核工业西南物理研究院),是否有必要再建一个?周恩来总理说:可以两条腿走路嘛。现在回头看,老一辈革命家确实是高瞻远瞩。中国的核聚变事业,就是靠了科技部、教育部、中核集团、中科院、中物院这些相关单位的共同努力和相互支持。合作共赢,这不仅是国际聚变研究的特色,实际上也是国内聚变研究的特色。

 

12年前(2006年),世界聚变能大会在成都召开。曾任等离子体所所长的万元熙先生做大会报告介绍世界第一个全超导托卡马克EAST成功产生等离子体,曾满怀激情地说:我们完成了EAST的建造,现在聚变的火炬传到下一代了!“聚变能源的第一盏灯泡,要在中国点亮!”在所庆会上放映的视频里,最后一个镜头就是等离子体所上一任的所长李建刚说的这句话 —— 这就是下一代的回答。“不到长城非好汉”,屈指行程四十年;希望30年后等离子体所庆祝70周年的时候,这一愿望能够实现。

 

 【又及:根据同名小说改编的电视连续剧《聚变》正在紧锣密鼓地拍摄中,讲的主要是国内另一主要聚变研究单位,笔者获得硕士学位的585所早期开展聚变研究的故事。敬请期待!】

 

P.S. 关于留言中的几个问题

 

1.    冷聚变:

为什么美国对聚变不积极?有人说因为美国实际上看到可能实现常温核聚变(即所谓“冷聚变”)。不符合事实。这个问题炒作好多年了。1989年美国物理学会和化学学会在巴尔的摩开联合大会,最后是“投票决定”冷聚变是否有!《时代》周刊专门发了文章嘲笑这一奇葩事件:科学问题靠投票、而不是靠实验决定还是历史上第一次!但是那以后冷聚变在主流研究中就绝迹了(主要是因为反应截面还差数量级)。所以90年代初美国聚变的大规模下马与冷聚变没有关系。当时先下马的还有SSC(超导超级对撞机),已经投入、完全被浪费的钱就比聚变缩减省下的钱多得多!当然还有一些科学家在做探索冷聚变,每年都要开会。国家基金委也一直在支持清华的一位教授做这方面研究。

 

2.    NIF

有说因为美国的惯性约束聚变方面应当很成功。这也是想当然 —— 一个应当就看出来了。事实上美国的“国家点火装置”(NIF)计划甚至没有达到预期的最低目标——实现breakevenQ = 1),更甚至都没有达到JETQ = 0.67。前几年美国政府给NIF一年时间确定:是继续朝能源的方向走,还是改成基础研究和武器研究。一年后的回答是确定的 —— NIF现在主要做武器研究和基础研究了。

 

那为什么美国不积极?原因要牵涉到石油美元和美国霸权。这方面的资料很多,笔者就不展开了。

 

3.    能否加快实现聚变能源发电:

这个不是说说10年、20年就可以做到的。氚技术现在还没有验证,合适的堆材料现在还在试。这两件事情可能是最大的挑战。30年是恰当的估计。

 

 

附件:ITER计划介绍

 

一、什么是ITER计划

国际热核聚变实验堆(International Thermonuclear Experi-mental Reactor)(简称ITER)计划,是1985年由当时的美苏两国首脑里根与戈尔巴乔夫在日内瓦举行高峰会谈时提出的倡议。后在国际原子能机构(IAEA)的支持下,由美、苏、欧、日四方于1988年共同启动ITER计划,其目的是建造一个可自持燃烧(即“点火”)的托卡马克型核聚变实验堆,研究氘-氚聚变等离子体性质,发展聚变包层技术;研究高能聚变中子辐照下的材料特性;探索和平利用聚变能发电的科学和工程技术可行性,最终实现建造商用聚变堆的目的。

ITER计划经过13年的共同努力,耗资约15亿美元。在1990年完成了ITER概念设计(CDA)的基础上,1998年美、俄、日、欧四方又共同完成了ITER工程设计(EDA)及部分技术预研。此时由于其国内政治和经济的诸多因素,美国大幅调整其聚变政策,聚变研究经费严重缩减,再加之与其他三方出现严重意见分歧,美国于1998年下半年正式退出ITER计划。在美国退出ITER计划后,欧、日、俄三方继续合作,在力求满足主要目标的前提下,对原工程设计进行进一步修改完善,大幅降低工程建设造价,又经过三年的努力,在2001年完成了一个基于先进运行模式的ITER-FEAT(ITER-Fusion Energy Advanced Tokamak)工程设计及大部分部件与技术的研发,整个工程造价也已降至约46亿美元。与此同时,在世界各国科学家的共同努力下,核聚变研究在托卡马克类型磁约束聚变装置上的实验取得了一系列突破性进展,特别是一些大型核聚变装置,如美国的TFTR、欧洲的JET和日本的JT-60等装置,均实现了氘-氚或氘-氘聚变反应,等离子体温度达数亿度,聚变输出功率已超过16兆瓦,表征能量增益因子Q已经达到1.25,所有这些进展表明:在托卡马克类型聚变装置上开发聚变能的科学可行性已经被证实,建造国际热核聚变实验堆(ITER)的时机也已经成熟。

按照ITER设计方案,其建设期约需10年,运行开发利用期20年,去活化约需5年,共计35年。

 

二、ITER计划谈判

在完成最终工程设计报告(FDR)后,自200111月开始欧、日、俄及后来加入的加拿大四方以EDA为基础开始就实施ITER计划而建立相应国际组织的国际协议进行磋商,ITER计划进入谈判阶段。

中国在经过多年调研和多次充分论证的基础上,经国务院批准同意,于20031月正式参加ITER计划谈判,其后美国也于20031月又重新参加ITER计划,20036月韩国也申请加入了ITER计划谈判。2005628日上述谈判六方(中、欧、日、韩、俄、美)在莫斯科签署联合声明,一致同意把ITER装置建在法国核技术研究中心卡达哈什(Cadarache),从而结束了长达一年半的激烈的欧日选址大战。在谈判各方的共同努力下,200512月谈判各方就谈判各类文本达成一致,同时印度也于200512月加入ITER计划谈判,从而搭上ITER计划谈判的末班车。2006524日参与ITER计划谈判的七方在布鲁塞尔草签了建立ITER国际组织的相关协定。200611ITER七方(中、欧、印、日、韩、俄、美)在法国正式签署《联合实施国际热核聚变实验堆计划建立国际聚变能组织的协定》(简称组织协定)和《联合实施国际热核聚变实验堆计划国际聚变能组织特权和豁免协定》(简称特豁协定)。20078月,十届全国人大常委会第二十九次会议批准了上述两个协定,完成了我国加入ITER计划的相关法律程序。200710ITER国际组织正式成立。

 




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