“海水变能源”真的能实现？
来源：南方日报 日期:2017-12-18
中国开启核聚变实验堆工程设计，提出三步走解决能源问题
聚变能源由于资源丰富和接近无污染，被认为是最有希望彻底解决能源问题的根本出路之一。比如，以海水为原料解决能源问题:想要让“海水”之类的原料变成能源，就需要经过“聚变”环节。
近日，以实现聚变能源为目标的中国聚变工程实验堆(CFETR)宣布正式开始工程设计，并推出了中国核聚变研究分“三步走”、最终解决人类终极能源问题的发展路线图。
在此之前，中国核聚变研究也在稳步推进。今年7月，我国拥有完全自主知识产权的“东方超环(EAST)”实现了5000万℃等离子体持续放电101.2秒的高约束运行，但还需要克服很多难关，才可以实现真正的聚变示范堆。
1 能源不足的解决方法
在地球上实现可控核聚变
中国科学院等离子体所聚变堆总体研究室执行主任高翔告诉南方日报记者，聚变是轻原子核(主要氢的同位素氘和氚)聚变形成较重原子核，同时释放出巨大聚变能的反应过程。
据中国科学院等离子体所介绍，科学家曾有一项统计：一升海水中提炼出来的氘(氢的一种同位素)，在聚变中释放出的能量，相当于燃烧300升的汽油。以地球上海水储量之大，氘的含量足以维持人类50亿年较高消费水平的需求。此外，科学家预想的另一种聚变原料氦-3，在月球上也有丰沛储量。
但到目前为止，核聚变电厂对人类来说还只是计划。
人类并非没有现成的核聚变参照物：太阳的能量，就是来自于其内部一刻不停的聚变反应。上世纪50年代初，人类在地球上也实现了聚变反应——氢弹。它是依靠原子弹爆炸时形成的高温高压，使得氢弹里面的热核燃料氘氚发生聚变反应。但要把聚变时放出的巨大能量作为社会生产和人类生活的能源，必须对剧烈的聚变核反应加以控制，因而称为受控核聚变。
科学家们的想法，就是模拟太阳聚变反应的原理，在地球上实现可控核聚变。首先，最大挑战就是创造一个上亿摄氏度的环境，并把反应物质约束在有限的空间里。因为在聚变反应中，聚变反应的原料均处于等离子体状态(在高温情形下，气体发生电离之后的状态)，等离子体要被加热到上亿度，才能高速运动和碰撞，发生聚变反应，释放出巨大的能量。
磁约束被认为是可行路径之一。高翔介绍，磁约束聚变是利用磁场，将燃料以等离子体的形式约束使其发生聚变反应。这也是被认为彻底解决人类能源问题的出路之一。
2 参与ITER国际合作10年
我国跨入聚变能研究开发先进行列
上世纪50年代初期，前苏联科学家提出“托卡马克”的概念。托卡马克(TOKAMAK)在俄语中是由“环形”“真空”“磁”“线圈”4个词组合而成，依靠等离子体电流和环形线圈产生的强磁场，将极高温等离子体状态的聚变物质约束在环形容器里，以此来实现聚变反应。
等离子体所研究员、中国工程院院士李建刚在一篇综述中指出，在磁约束的众多途径中，托卡马克获得了巨大成功。国际上大型托卡马克装置取得的成果显示，托卡马克是最有可能首先实现聚变能商业化的途径。
自上世纪70年代开始，我国集中选择了托卡马克为主要研究途径，先后建成并运行了包括中科院物理所的CT-6，中国科学技术大学的KT-5，中科院等离子体所的HT-6B、HT-6M、HT-7，核工业西南物理研究院的HL-1A、HL-1M、HL-2A等托卡马克装置。
在上述基础上，研究人员设计了世界上第一个非圆截面全超导托卡马克核聚变实验装置“东方超环”(EAST)，于2006年初成功进行了工程调试并取得了一系列世界领先的成果。
高翔告诉南方日报记者:“我国通过一系列聚变研究装置的建设、实验和国际合作，在聚变技术的各个领域都迅速发展，有些走到了世界前列。”
1985年，美、苏、欧、日共同启动“国际热核聚变实验堆(ITER)”计划，工程设计于2001年完成。据等离子体所介绍，ITER是世界上仅次于国际空间站的又一个国际大科学工程计划。2006年，中国同欧盟、韩国、俄罗斯等草签了《ITER联合实施协定》，标志着我国实质上参加了ITER计划。
高翔告诉南方日报记者，目前中国承担ITER计划10%的工程建设任务，其中等离子体所承担中国任务的73%，主要包括导体、电源、校正场线圈、磁体超导馈线以及诊断等采购包任务。另外，等离子体所还于2013年10月通过国际竞标承接了第六个极向场线圈采购包。
“除了实物的贡献外，中国还派出了一大批科研工作者在法国ITER总部就职。”高翔指出，通过参加ITER装置的建造和运行，我国将全面掌握磁约束核聚变研究和技术成果，并锻炼、培养一支高水平聚变科研和工程技术人才队伍，带动其他相关领域的技术发展，推进我国核聚变能源研究的快速发展。
3 CFETR目标
2050年建设聚变商业示范堆
12月5日，中国聚变工程实验堆(CFETR)宣布正式开始工程设计。启动会上提出了中国核聚变研究“分三步走”、最终解决人类终极能源问题的发展路线图：第一阶段：2021年，CFETR开始立项建设;第二阶段：2035年，计划建成聚变工程实验堆，开始大规模科学实验;第三阶段：2050年，聚变工程实验堆实验成功，建设聚变商业示范堆，完成人类终极能源。
作为ITER成员之一，中国为何还要启动自己的实验堆CFETR?两者间有何区别?
高翔告诉南方日报记者，ITER将在能源净产出上实现突破，但由于中子产量不足，无法验证材料耐辐照性能;同时氚无法自持，运行时间占空比也很低，因此与真正的聚变示范堆还有相当大的距离。
高翔所谓的“材料耐辐照性能”，因氘氚聚变反应会产生高能中子，其对聚变堆第一壁的轰击将使其产生损伤。而边界等离子体也会与第一壁发生作用，造成损伤。现有材料尚不能完全解决这一问题。
“氚自持”方面，氘氚聚变反应中的氘可从海水中大量获得，而氚则需通过中子轰击锂产生。但在聚变堆中，氚会因滞留等问题无法全部参与反应，从而使得参与数量减少至无法维持聚变堆持续运行。因此，解决“氚自持”也是聚变堆研究的核心问题之一。
李建刚曾在一场学术报告会上介绍，CFETR一期将采取类ITER技术，目标是20万千瓦，实现稳定、可靠、安全、氚自持和稳态运行。二期以自主创新为主，目标为大于100万千瓦，探索示范堆先进安全的重大科学和技术问题，研究聚变堆材料、发电效率，开展聚变电站的安全和经济性研究，为在本世纪中叶中国独立自主大规模建设聚变电站奠定坚实科技基础。
“CFETR的目标是能够演示聚变能的产出，实现燃料氚循环自持，并且运行时间占空比达0.3—0.5。CFETR的建造将搭起一座从ITER跨越到聚变示范堆的桥梁，为聚变示范堆的建设打下关键的基础，同时也是早日实现中国‘聚变梦’的关键一步。”高翔说。…
