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核工业西南物理研究院院长段旭如:“人造太阳”正成为可预期的事

2021-03-05 14:24  来源:中国核工业    段旭如  核技术  两会核电  核能利用  核聚变  核工业

2020年底,新一代先进核聚变研究装置——中国环流器二号M(HL-2M)建成并成功实现首次放电。一时间,网络上关于“人造太阳”的新闻,成了老百姓关切的话题。


2020年底,新一代先进核聚变研究装置——中国环流器二号M(HL-2M)建成并成功实现首次放电。一时间,网络上关于“人造太阳”的新闻,成了老百姓关切的话题。

“是不是晚上也有个人造的太阳在天上,比月亮还亮一些?”

有一次,全国政协委员、核工业西南物理研究院院长段旭如乘坐出租车回单位,当司机得知这位乘客来自核工业一研究院、是“搞核的”后,兴奋地聊起自己看到的新闻。

司机不知道,坐在他身后的乘客,正是神秘的“人造太阳”研究院院长,并且被他的说法逗笑了。

“核本身就很神秘,核聚变就更神秘了,我们不是要另外造一个太阳,只是利用太阳发光发热的原理——核聚变反应来为人类提供能源。”段旭如说。

— 提案:核技术应用与核电“走出去” —

“推广辐照灭菌技术应用”是段旭如为本届“两会”准备的两个提案之一。

“辐照灭菌是国际上普遍认可的先进、绿色技术,我国在辐照灭菌技术储备上具有较好的基础,但该产业在我国发展滞后。为推动辐照灭菌技术产业快速高质量发展,在‘健康中国’建设中发挥更大作用,要加快制定辐照灭菌技术推广应用的标准规范;强化医疗用品辐照灭菌的政策引导与支持;加强对辐照技术的科普宣传等。”

另一个提案则是关于加快核电“走出去”。

“核技术的创新与发展促进了核领域的国际合作,推动了国家间政治外交的延伸。核电‘走出去’有利于加强对外开放、构建新发展格局;有利于落实‘一带一路’倡议,构建能源领域人类命运共同体……建议加强核电‘走出去’统一协调,由企业层面上升到国家战略层面,建立由有关部委,以及主要核电企业、装备企业、金融信保机构组织等共同组成的核电‘走出去’跨部委协调机制;建议完善相关法律法规,制定核电‘走出去’一揽子政策,加快推进原子能法、核损害赔偿法等立法,制定核电‘走出去’专项融资政策等……”这是段旭如第二个提案里的建议。

这两个提案看似与他所处的聚变领域不太相关,但在行业内的人士看来,一切关于“核”的事情,都需要一个亲“核”的舆论环境。

“人们听到核,一是觉得神秘高深,二是还有点惧怕的感觉。其实,核技术在我们日常生活工作中运用越来越广,像辐照技术就是日常生活中会碰到的,而核电在许多发达国家能源供给中已占重要地位,因此有必要从各层面多渠道加大力度开展核科普工作,加强和公众的交流,让更多人来了解我们核行业,推动核在更多领域造福人类。”段旭如说。长期从事核聚变研究工作,也基于他对核能造福人类的信心。

— 需要几代人“坐冷板凳”的大科学工程 —

核聚变能是我国核能发展“热堆—快堆—聚变堆”三步走战略中的最后一步。

核西物院于1965年成立,是我国最早成立的致力于核聚变能开发的专业研究机构。实际上最早一批来核西物院的科技人员上世纪50年代末就开始做核聚变研究了。60多年来,几代人一直孜孜以求,潜心从事核聚变研究。在段旭如看来,这就是核聚变研究的特点,核聚变能的开发是具有前瞻性、创新性、综合性、长周期的大科学工程。

“核聚变涉及的学科门类庞杂,并且学科间的交叉融合广而深;研发过程中涉及到很多前沿科学和工程技术难题,有些甚至挑战了现有水平的极限,如聚变堆材料问题挑战了现有材料性能的极限、上亿度的聚变燃烧等离子体科学问题目前尚无系统性的实验可参考、建设过程中很多部件研制工艺甚至无经验可借鉴等。”

要实现核聚变能的利用,需要多代人的努力。

“老一辈核聚变人李正武先生是聚变圈里最早的院士。聚变能开发是一份功在当代、利在千秋的事业,需要从事该领域的科研人员能坚持坐冷板凳、孜孜不倦地奋斗和创新,要想实现这个目标,不是那么容易的。”

作为一个资深的“聚变人”,段旭如对自己坐过的“冷板凳”印象深刻。

2006年,段旭如和团队一起进行攻关,瞄准在国内聚变研究装置上实现高约束模运行。

“相比于低约束模式,高约束模式下等离子体达到同水平的运行参数所需要的装置规模要小,因此可大大提高未来聚变能的经济性。”

在3年多里,他们开展了各种探索与研究,还邀请了首次实现高约束模式的德国专家来指导。

“那时是比较郁闷的,因为实验所需的几个主要条件我们都达到了。等离子体加热的功率我们都超过了所需的阈值,并且还高得比较多;真空室器壁处理效果也很好、杂质很少;磁场位形也扫描过,还是不行;最后又怀疑是不是电流方向问题,但倒过来实验效果也无明显改善,我们考虑了各个方面、想尽了各种方法,做完实验后又讨论应该调什么参数、怎么调、往哪个方向走、是正的还是反的……”

经过上万次的实验,2009年,该团队终于在中国环流器二号A上实验成功,使中国成为继美欧日之后成功实现高约束模式运行的国家。这是我国磁约束聚变实验研究史上具有里程碑意义的重大进展,标志着我国具备了开展与ITER(国际热核聚变实验堆)物理研究相关的重要研究平台。

熬过艰难困苦,回首唯有一笑。

“实验刚做出来时,为慎重起见,就发给国际的同行看看,正好他们在开一个高约束模式的研讨会,在场的专家们分析之后,认定这就是高约束模式放电。我们听了都很高兴,因为能实现这个实验目标,不仅体现了整个团队的综合研究实力与水平,也体现了装置本身的综合研究能力。随后国际上对在我们的研究装置上开展在高约束模式条件下实验研究很感兴趣,我们的国际合作也越来越多了,同时我们也可以开展与ITER计划相关的物理实验研究,国外专家还经常组团来我们装置开展联合实验。”

— 有望打破聚变界“再等50年”魔咒 —

“十三五”期间,核西物院核聚变研究实现了一系列实质性的进展:我国新一代“人造太阳”装置——中国环流器二号M(HL-2M)建成并实现首次放电;聚变前沿等离子体物理研究取得多项创新成果;作为我国参加ITER计划的重要支撑单位,在聚变堆关键技术方面取得了多项重要突破,如ITER核心部件——第一壁高热负荷部件率先通过国际认证,“核聚变堆高温承压部件的热氦检漏方法”国际标准成功获得立项,成为中国在核聚变领域立项的首个国际标准。

如今,谈到核聚变研究永远“再等50年”的魔咒时,段旭如已不以为然。

“ITER是第一个可以称得上为‘聚变堆’的设施,已于2020年启动了主机安装,计划在2025年建成,之后就可以开始做实验研究了。”

这不是段旭如一个人的乐观,整个聚变界对ITER计划的成功实施都有信心,并且认为ITER计划一旦达到其既定目标,就有望在本世纪中叶实现聚变能的利用。不过在他看来,核聚变能研发仍面临多项技术挑战,需提前布局,一一攻克:“目前核聚变领域的一些关键技术,如聚变堆材料等需集智攻关。”

随着ITER计划的启动,磁约束聚变研究已经从原理探索、大规模实验正逐步迈入到反应堆工程实验阶段,当前具有核工程技术经验的优势力量参与度不够,一定程度上制约了核聚变能开发高质量发展。段旭如认为,这需要国家层面加强顶层设计、聚焦目标、集中力量,与此同时引导相关企业前期参与技术攻关,前瞻性的开展核聚变相关产业战略布局。

“财力上的投入是其一,最重要的是协调更多科研力量来介入。核聚变研究前期主要是研究等离子体物理的人在参与,目前,越来越多的工程技术人员积极参与,下一步到反应堆阶段,就需要统筹国内核工程、核技术等方面的优势力量更多参与。”

他认为,下一步我国的聚变能研发应瞄准自主设计建造聚变堆,集中国内聚变研究科研院所与高校的优势资源,开展ITER未涵盖的未来聚变堆关键技术攻关,解决核聚变技术领域“卡脖子”问题,并充分利用ITER的建设与运行进行人才培养与技术储备,加快我国聚变能应用进程。

这也是核西物院中长期发展规划中的核心任务。“十四五”期间,“预计在先进聚变研究设施HL-2M装置的高参数高性能聚变等离子体科学实验研究、聚变堆设计与关键技术研发、聚变中间技术的应用等方面取得突破性进展。”段旭如说。



图为技术

深圳核博会

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