问题

中国可控核聚变的现状以及与其他国家的对比,还有初步商业化的时间表?

回答
龙行巨链:中国可控核聚变的前沿探索与未来之路

可控核聚变,这项被誉为“人造太阳”的能源技术,承载着人类对清洁、无限能源的终极梦想。在中国,这项被寄予厚望的科学事业,正以前所未有的速度和决心向前推进,逐渐在全球舞台上崭露头角,甚至成为领跑者之一。

中国可控核聚变:厚积薄发,日新月异

中国的可控核聚变研究并非一日之功,而是几代科研人员薪火相传、不懈努力的成果。目前,中国在这一领域的投入和进展,主要体现在以下几个方面:

“人造太阳”的旗舰:中国环流器“东方环”系列

中国的磁约束核聚变研究,其核心代表便是中国环流器“东方环”系列(EAST)。EAST位于安徽合肥的中国科学院等离子体物理研究所,自2006年建成以来,经历了多次升级改造,成为世界上规模最大、性能最先进的托卡马克装置之一。

EAST最令人瞩目的成就之一,便是其在长脉冲高约束模运行方面取得了突破性进展。2021年,EAST成功实现了100秒的超导托卡马克高约束模式等离子体运行,这标志着其在接近未来聚变堆实际运行工况下,保持等离子体稳定性和高性能方面取得了重要里程碑。2023年7月,EAST更是将这一纪录刷新至1056秒,几乎接近了商用聚变反应堆所需的稳定运行时间。

更值得关注的是,EAST在高密度、高温度等离子体的稳定运行上也取得了显著成就,多次创造了新的运行世界纪录。这些纪录的背后,是EAST在等离子体加热、诊断、控制等关键技术上的持续创新和优化。它不仅是基础科学研究的强大平台,更是验证未来聚变堆关键技术的重要试验场。

“人造太阳”的另一极:全超导托卡马克(SST1)

除了EAST,中国还在建设和研发全超导托卡马克(SST1)。SST1是与EAST并行的另一项重大核聚变研究装置,其最大的特点在于其线圈系统采用全超导材料,这意味着它能够实现长时间、高效率的稳定运行,这是未来聚变堆实现商业化运行的关键技术之一。SST1的建设和运行,将为中国在超导技术应用、高性能运行模式探索等方面积累宝贵的经验。

国际合作的典范:参与国际热核聚变实验堆(ITER)

中国还是国际热核聚变实验堆(ITER)项目的重要参与者和贡献者。ITER是全球规模最大、最尖端的核聚变科学工程项目,旨在验证聚变能作为一种可行的能源技术,建设一个能产生净能量的核聚变反应堆。中国承担了ITER约9%的合同工作包,在超导磁体、真空室、诊断系统等多个关键领域提供技术和设备。参与ITER不仅是中国提升自身科研水平的重要途径,也是中国在全球科技合作中扮演重要角色的体现。

自主研发的蓄力:氚循环、材料、高功率加热等关键技术

除了大型装置的建设,中国还在氚循环技术、核聚变材料、高功率微波加热系统、等离子体诊断技术等一系列核心关键技术上进行了深入的自主研发。例如,在氚处理技术方面,中国已掌握了从氚的生产、收集、储存到循环利用的全套技术,这对于未来实际运行的聚变堆至关重要。在核聚变材料方面,中国也在积极研发能够承受高温、高辐射环境的先进材料。

与世界的对话:中国在全球可控核聚变版图中的位置

中国在可控核聚变领域的研究,在全球范围内都处于领先地位,其进步和成就与老牌的核聚变研究强国如美国、欧洲(以欧盟的JET和ITER为代表)、日本、韩国、俄罗斯等国家相比,展现出以下特点:

追赶与并跑: 尽管一些发达国家在核聚变研究领域拥有更长的历史和更深厚的技术积累,但中国近年来展现出的强劲发展势头,使其在许多关键技术领域已经实现了从追赶到并跑的跨越。

EAST的独特优势: EAST的长脉冲运行能力,在某些方面甚至超越了其他国家的同类装置,为其在先进运行模式的探索上提供了独特的优势。这使得中国在掌握未来聚变堆运行模式方面,拥有了先发优势。

ITER的关键贡献者: 中国对ITER的积极参与和重要贡献,使其在全球核聚变研究的顶层设计和前沿探索中占据了不可或缺的地位。中国在ITER中的表现,也反映了其技术实力和国际影响力。

自主研发的侧重点: 相比一些国家可能更侧重于ITER的建设,中国在自主建造和运营大型装置以及关键核心技术的研发上,展现出强大的自主性和战略性。这种双管齐下的策略,为中国未来的独立发展奠定了基础。

资金投入的决心: 中国政府对可控核聚变研究的持续、稳定的巨额投入,是其快速发展的关键驱动力。这种投入决心,在全球范围内都属于非常突出的。

初步商业化的时间表:理性展望与挑战

关于可控核聚变实现初步商业化,这是一个极其复杂且充满挑战的目标,目前全球普遍认为,在2050年之前实现商业化应用仍有相当大的难度。

ITER的先行: ITER预计在2035年左右完成建设并开始氘氚运行,到2040年代中期才可能实现其科学目标。ITER的成功运行,是证明聚变能可行性的基础,也是后续商业化示范堆建设的重要参考。

示范堆的规划: 在ITER之后,需要建设示范性聚变反应堆(DEMO),用来验证商业化聚变电站的技术和经济可行性。DEMO的建设和运行,可能需要到2050年代甚至更晚。

中国的“三步走”设想: 中国在可控核聚变领域,也曾提出过“三步走”的战略设想,即:
1. 第一步: 建成并运行EAST等装置,掌握聚变实验技术。
2. 第二步: 参与ITER项目,并利用ITER的成果,研制和建造中国的聚变工程实验堆(CFETR)。CFETR是中国自主设计和建造的大型托卡马克装置,其目标是实现聚变功率增益,并为DEMO的建设提供技术支撑。
3. 第三步: 在CFETR的基础上,建设商业化聚变电站。

根据这一设想,中国初步商业化的时间表,很可能也在2050年之后。具体的节点则取决于CFETR的建设进展、ITER的成果以及后续DEMO的研发情况。

商业化的挑战: 即使在技术上实现了可控核聚变,要实现真正的商业化,还需要克服一系列严峻的挑战:
技术经济性: 如何降低建设和运行成本,使其在经济上具有竞争力。
材料问题: 研发能够长期承受聚变反应堆极端环境的材料。
氚安全: 确保氚的安全储存、处理和循环利用。
可靠性和稳定性: 保证聚变反应堆的长时间、高可靠性运行。
许可证和监管: 建立完善的监管体系和安全标准。

结语:

中国在可控核聚变领域的探索,是一场激动人心的科学接力赛,也是一项充满挑战的伟大事业。以EAST为代表的中国“人造太阳”装置,不仅在刷新着运行纪录,更在为人类解决能源危机、实现可持续发展贡献着“中国智慧”和“中国力量”。虽然初步商业化的道路依旧漫长,但中国科研人员的执着与创新,以及国家层面的坚定支持,让我们有理由相信,在不远的将来,“人造太阳”的光芒,将真正照亮人类的未来。

网友意见

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国外的不太清楚,贴个13年李建刚院士做的关于CFETR的报告吧:

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