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张国书:让“人造太阳”绽放更耀眼光芒

2021-01-18 14:13  来源:科学中国人    人造太阳  核反应堆  ITER  核聚变  核能利用

人口规模持续增长,化石能源逐年缩减,未来人类将不得不面对能源短缺的巨大威胁。那么,如何解除这个威胁呢?核聚变或许是一种“一劳永逸”的方法。


人口规模持续增长,化石能源逐年缩减,未来人类将不得不面对能源短缺的巨大威胁。那么,如何解除这个威胁呢?核聚变或许是一种“一劳永逸”的方法。核聚变的原材料容易找,每一万个氢原子中就有一个是氘原子,每升海水中的氘聚变能够放出的能量,相当于燃烧300升汽油。如果单纯根据地球海洋中氘资源总量估计,核聚变能可供人类使用数亿年,甚至数百亿年。

张国书

不过,人类要实现可控核聚变还面临许多重大的技术挑战。为使可控核聚变从梦想变成现实,为让人类用上取之不尽、用之不竭的超级能源,世界各国的科学家们正在进行着不懈探索,东华理工大学核科学与工程学院教授张国书就是其中一位。1987年从清华大学工程物理系反应堆专业毕业后,他一直从事聚变堆物理及核工程设计研究工作。现在,作为中国“天环一号”(CAT-1)偶极场聚变实验大科学装置的项目负责人,他正为建造稳态运行的先进聚变堆探索一条新路径。

实现可控核聚变任重道远

张国书介绍,因为太阳的原理就是核聚变反应,所以可控核聚变俗称“人造太阳”。核聚变不会产生核裂变所出现的长期和高水平的放射性核废料,也不产生温室气体,基本不污染环境,所以核聚变能是一种清洁的超级能源。自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素——氘与氚的聚变,这种反应在太阳上已经持续了50亿年。虽如此,人们认识核聚变还是从氢弹爆炸开始的,正是从那时起科学家们就希望发明出一种装置,可以有效控制“氢弹爆炸”的过程,让能量持续稳定地输出。

然而,可控核聚变需要达到上亿摄氏度以上的温度,这个特点让科学家们一次次陷入绝望。因为这个相当于太阳中心的温度,在人类社会中几乎没有实现它的技术。而随着科技的发展,终于有了能够制造这种超高温的技术,如激光。但是,更棘手的问题出现了,如此高的温度,能让世间一切材料化为灰烬。用什么样的装置才能够将上亿摄氏度的物质约束在一处,使其能够持续不断地产生能量,以供人类利用呢?

科学家们立刻想到了磁场,在上亿摄氏度的高温状态下,物质呈现等离子态,它们可以被磁场约束。当高温等离子体被约束后,就可以持续地向这团等离子体中加入氚和氘,使其发生聚变,产生源源不断的聚变能。所以,实现可控核聚变的关键,是设计出一款能够约束超高温等离子体的磁场装置。

一时间,各式各样的磁场约束装置纷纷登场,又一一败下阵来。1968年是人类可控核聚变研究史上及其重要的一年。这一年,苏联科学家阿尔齐莫维奇发布了托卡马克磁约束方案,让人们第一次看到可控核聚变的曙光。不过,早期的托卡马克装置却因为线圈电阻大造成了能量的大量损耗甚至入不敷出。这个缺点几乎给托卡马克装置判了死刑。但幸运的是,一项新技术拯救了托卡马克装置,这就是超导技术。

“超导技术很好地解决了磁场电阻造成能量损耗的问题,使得托卡马克装置迎来了第二春。利用超导技术,世界上建成了一座超导托卡马克装置,另外还有三台半超导托卡马克装置。而世界上唯一一台全超导托卡马克装置,则是我国的东方超环(EAST)。”张国书介绍。

中国原创的“东方超环”属于世界最先进的可控核聚变装置,2015年,东方超环实现了最长时间的高温偏滤器等离子体放点和最长时间的高约束等离子放电,标志着我国可控核聚变已经代表了国际可控核聚变研究的最高成就。2017年,“东方超环”在全球首次实现了百秒以上的稳态高约束运行模式,再次创造了人类可控核聚变研究的新高度。

“在托卡马克装置的研究上,我国虽然不是首创者,但是却是研究最深入、最持久的国家。从‘中国环流器一号’到‘中国环流器新一号’,再到‘中国环流器二号’,我国对托卡马克装置的研究一直没有停止过,而且取得了不俗的成绩。到了EAST,它的意义不仅仅是让我国可控核聚变技术于领先世界,更是标志着中国已成为了世界可控核聚变研究中的领导者。”张国书说,“这与国家的重视密不可分。不得不提的是,我国在可控核聚变研究的起跑线上,并没有落后。”

我国可控核聚变起步很早,几乎和原子弹研究同一时间开始。当世界各国科学家们纷纷寻找可控核聚变方案的时候,我国科学家们也同样在埋头研究。早在20世纪90年代,我国政府就制定了“压水堆—快堆—聚变堆”三步走的核能发展战略;2006年国家又正式签署了加入国际热核聚变实验堆(ITER)建造的文件,同年政府又颁布实施了《国家中长期科技发展规划纲要》,明确表示支持发展托卡马克为主的磁约束聚变途径;2013年,经国务院同意,在科技部牵头协调下,中国启动了中国聚变工程实验反应堆(CFETR)的设计预研,这表明中国将独自设计建造世界第一座具有完全自主知识产权的氚自持功率运行聚变工程实验反应堆,这对中国2050年实现聚变能源的商业化开发,具有重大的科学和战略意义。

虽如此,张国书清楚,不管是我国还是全世界,要实现可控核聚变还有很长的路要走,而这也是促使他以及其他科研工作者不断去探索的动力所在。

披荆斩棘30年的核能老将

从入读清华大学工程物理系反应堆专业开始,张国书就迈入了核能研究领域,并且随着我国核能战略的变化,他的研究方向和工作重点也在不断进行着调整。

张国书的家乡在四川成都,那里有很多核弹工厂和核武器研究机构,于是核武器就成了大家茶余饭后的闲聊话题。听着核武器故事长大的张国书自然对这些产生了兴趣。考大学时,他报考了清华大学的相关专业。以为要研究核武器的张国书到清华后发现,所在工程物理院系虽之前是研究核武器的,但后来已转向民用,做核电站研究。

张国书学的是裂变堆相关专业,主要学中子学,聚变堆有两块知识,一是怎样把等离子体加热反应;二是反应后怎样用这些能量去发电。“我不是研究等离子体,而是研究怎样把产生的能量拿来发电,包括核工程设计、材料研发这些。”张国书说。

虽然他学的是裂变,但因为用的软件、方程、理论一样,所以裂变与聚变基本上是相通的。也正因为两者之间有相通性,所以这也成了张国书毕业后选择到核工业西南物理研究院从事聚变堆物理及核工程设计研究工作的一个原因。

从清华大学毕业时,秦山核电站、大亚湾核电站还在建设中,由于位置偏僻、工作条件艰苦,很多人都不愿意去,有些人毕业后甚至都改行了。因为热爱,张国书选择继续留在核能领域。

在核工业西南物理研究院,张国书拿到了硕士、博士学位,2004年被聘为研究员。在那里工作的30多年时间里,有一半的时间张国书是在做混合堆相关工作。

“我们做了聚变-裂变混合堆系统参数设计与优化、包层屏蔽中子学、核数据库及经济性分析等工作。当时国家在能源领域要发展三个堆,即快堆、聚能堆、混合堆。但到2000年时混合堆被砍下来了,因为它的聚变堆芯还不成熟,在国内达不到聚变反应条件。所以我一毕业就开始做混合堆工作,做了13年,到2000年才改做其他工作。”

混合堆下马,老专家退休,年轻人“下海”,最后张国书所在的研究室留下的人寥寥无几,他就是其中一位。面对惨淡局面,张国书重新找方向、自己找经费,在国家自然科学基金、原总装备部国防基础研究探索基金的支持下,开展了“聚变堆用高温超导体的中子辐照特性研究”及“毫米波耦合腔行波管可行性研究”工作,度过了那段艰难的日子,也积累了一些新的经验。

2003年,之前被搁浅的ITER计划被重新提起,这又为张国书提供了一个自我提升的机会。他提出的固态包层建议在与同行的激烈竞争中胜出,并得到了科技部的支持,2009年ITER国内配套课题“固态增殖剂TBM设计与关键工艺研究”正式立项,作为中国聚变示范堆(DEMO)固态氚增殖包层设计组组长,中国ITER氦冷固态增殖剂模块(HCCB TBM)及辅助系统总体设计组组长,张国书带领课题组实现了TBM在中国从无到有的突破。

2013年,中国启动了CFETR的设计预研工作,因在之前几个项目中的出色表现,张国书被委以重任,作为CFETR堆芯参数优化设计工作组组长、聚变堆物理组组长,带领课题组对针对CFETR堆芯参数设计优化这个课题进行了不懈攻关。

“这是一个大科学工程,当时由中科院主导,他们提出了一个超导方案,我们想独立做一个方案,最后拿出了铜方案,但经过协调我们的方案最终被放弃了。”张国书一直坚持做铜方案,因为比起超导,铜有很多优点,单就成本来说,铜是超导的三分之一,而且超导风险太大,但为了顾全大局,他还是放弃了自己的想法。提起这件事,张国书心里还是觉得很可惜。

也许这也是他后来选择到东华理工大学任教的直接原因。张国书是一个很有想法的人,常常会迸出一些很有创意的点子,为了让这些想法很好地去实现,在他看来可能换个环境会更好。相对来说,高校就是这样一个所在,比起研究院参数已定、任务已定的科研模式,高校或许更自由。

2018年,恰逢东华理工大学在海内外公开招聘院长和重点实验室主任的机遇,张国书投了简历并通过了各项考核,作为江西省创新型领军人才被引进东华理工大学。这位已经在核能研究领域披荆斩棘30年的老将,在这里开启了新征程。

团队骨干成员与浙江大学聚变中心陈骝教授(右三)交流合影

为先进聚变堆探索新路径

为了给建造先进聚变堆探索一条新路径,来到东华理工大学后,张国书为自己的研究开辟了一个新领域。

张国书介绍,托卡马克磁约束聚变无疑是目前世界各国投入最大、取得的物理实验水平最高、工程技术及材料开发最成熟的技术途径。尽管如此,类似ITER和CFETR等基于氘氚燃料托卡马克聚变堆的商业化仍然面临许多重大的技术和经济性挑战问题,比如等离子体稳定与控制、氚自持、材料中子辐照、第一壁高热负荷、极端多物理环境等问题,尤其材料问题在未来较长时间内是无法解决的。而另一研究相对成熟的磁约束聚变装置——仿星器,虽然可以解决托卡马克存在的部分问题,如稳态运行,但是其工程结构复杂,同时也存在托卡马克存在的其他的一些问题,如材料问题。然而,解决这些问题对于漂浮磁偶极场装置来说相对容易。磁偶极场装置具有工程结构简单、无破裂、稳态运行、极高比压(100%)、交换模稳定、漂移波稳定及无边缘局域模的优势,因此它极有可能成为未来理想的商用聚变反应堆。

在关注偶极场聚变物理装置在美国、日本取得的新实验进展,认真分析其理论和实验经验的基础上,针对我国基础科研发展的战略需求,结合自身的研究经历,张国书提出开展偶极场聚变等离子体基础物理及实验装置建造的建议,并获得江西省科技厅重点研发项目的支持。

该项目将对中国第一个偶极场聚变实验装置——中国“天环一号”(CAT-1)的建造开展预研工作。预研工作依托东华理工大学,旨在完成装置设计及其技术可行性研究,为下一步江西省和国家拟共建的CAT-1偶极场大科学实验装置的实际工程建造提供基于科学依据和坚实数据基础的设计方案。

在项目攻关中,张国书将带领团队探索装置在高温等离子体下的湍流及其所驱动输运的抑制机理;为获得装置高温等离子体,解决实验方案创新设计的理论和方法问题;将研究复杂电磁—热环境下超导磁体稳定性;研发闭环超导磁体运行的高可靠性超导开关,可拔除式的超导磁体供冷/供电系统,高真空快速获得和检测技术,大型、低漏率(<5×10-9Pa.m3/s)及高稳定性真空室。

通过攻关,张国书希望实现这些科研目标:完成CAT-1实验装置的物理和工程设计,等离子体密度和温度分别达到5×1019m-3和500eV及以上,真空室半径4m、超导环外表面磁场不小于5T,领先国际现有同类装置;完成装置选址和经费预算;建设数值模拟及设计平台;建造非真空悬浮磁体系统模拟实验装置,用于悬浮线圈稳定性及平衡控制技术研发;建造LN2/LHe低温试验平台,用于超导开关、失超保护及稳定性等技术研发;建造真空系统模拟测试平台,用于高真空快速检漏技术研发。

张国书介绍,在CAT-1装置的设计中,偶极场聚变装置等离子体理论研究和数值模拟软件、悬浮超导环磁体和控制技术等在国内还是空白,是本项目的难点,也是重点。超导环的大小、形状和材料等将直接影响装置其他部件的研制及等离子体的约束性能;真空室的尺寸和材料等也是中国天环装置实验能否达到预期的关键,这将为研究带来不小的挑战。但目前,我国在聚变实验装置的设计建造和运行方面积累了丰富的经验,已为CAT-1装置的设计建造以及未来的实验运行打下了坚实的基础,中国有实力应对这些挑战。

用一辈子做好一件事

装置设计研发任务的顺利立项、推进,离不开学校、政府及国内外其他合作伙伴的鼎力支持。

“我的运气很好,2018年到东华理工时,国务院刚好印发了《积极牵头组织国际大科学计划和大科学工程方案》,江西省领导很重视,通过江西省科技厅下发文件到各个大学、研究所,希望征集发展大科学装置的题目。一共汇总上报了19个,很幸运我提出的是19个里唯一被选中要重点扶持的。当时省里主管这个项目的领导表示,愿意批300亩地,拨款2亿〜3亿元支持我们的大科学装置研究。后来项目又代表江西省报到了科技部。2019年6月,我们又报了一个国际大科学装置的培育项目。2020年江西省人大会议把我们的大科学装置作为人大提案提交给全国人大审议。项目不仅得到了江西省委领导的大力支持,学校领导孙占学校长、汤彬副校长更是亲力推进项目的开展,为此倾注了很大心血。”提起大家的支持,张国书满怀感激。

令张国书感到欣慰和感激的还不止这些。国际磁约束聚变届大师级等离子体理论物理学家、浙江大学聚变中心前主任陈骝也非常支持这项工作。其实悬浮偶极场装置的概念,是陈骝教授和他的导师Akira Hasegawa教授最早提出的,但后来他改作其他,没再继续做这项研究。当听说有人要拾起这项研究时,他非常高兴,已经70多岁的陈骝教授一直在关心着项目的进展。中国磁约束聚变首席科学家、原中科大科技委副主任万元熙院士也对项目非常感兴趣,以个人名义参与到项目的推进中,项目每取得一个进步,他都为此开心不已。正是因为有这么多人的关注,项目才得以顺利推进。

2020年年初,项目组邀请全国专家把脉做论证,专家建议分两步走,先建小装置,再申报国家大装置。按照这个步骤,张国书带领自己的团队,联合国内的浙江大学、华中科技大学、中国工程物理研究院材料研究院、清华海峡研究院、北京大学、西部超导材料科技股份有限公司、中国科学技术大学、武汉大学、中南大学及日本的九州大学在稳步开展着一系列工作。他们计划在“十四五”把小装置建起来,“十五五”立项国家装置。

张国书希望通过项目带动,能让学生尽快成长起来,建立一支能打硬仗的独立团队。他还希望跟中科院、各大学、日本的研究机构成立联合的研发中心,组建一支强大的外围团队,共克难题。他希望,通过高端项目为江西省吸引大批的优秀人才。他更希望让中国对国际磁约束聚变发展产生更大的影响力。

为了实现这些目标,张国书已做好长期全身心投入这件事的准备,他说:“人一辈子不可能什么都去做,毕竟生命有限,但专注做一件事,看似简单,其实是对毅力与恒心的考量,但我愿意接受这样的考量。”

为梦想而坚持,专注的人生定会精彩绝伦。



图为技术

深圳核博会

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