中核集團核工業(yè)西南物理研究院首席專家、ITER增強熱負荷第一壁項目負責人諶繼明

太陽通過核聚變反應(yīng)釋放光和熱，科學家們希望利用該原理，為人類開發(fā)一種源源不斷的清潔能源。因此，在地球上以探索清潔能源為目的的可控核聚變裝置又被形象地稱為“人造太陽”。核聚變?nèi)剂峡蓙碓从诤Ｋ≈槐M用之不竭，足夠人類使用上百億年。核聚變能源也被譽為人類未來的理想清潔能源。

2022年11月，全球最大“人造太陽”核心部件“防火墻”在中國取得重大進展，國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃增強熱負荷第一壁完成首件制造，標志著中國實現(xiàn)該項核心科技領(lǐng)跑，有力提升了我國在該領(lǐng)域的話語權(quán)。中核集團核工業(yè)西南物理研究院首席專家、國際熱核聚變實驗堆ITER第一壁關(guān)鍵部件研制項目中方負責人諶繼明接受了中新網(wǎng)采訪，講述中國如何打造全球最大“人造太陽”的硬核“防火墻”。

如何實現(xiàn)“人造太陽”?

國際熱核聚變實驗堆(ITER)增強熱負荷第一壁完成首件制造

諶繼明介紹，“人造太陽”的研究可以追溯到20世紀50年代前，科學家發(fā)現(xiàn)核聚變最基本原理后，各國逐漸開展了相關(guān)研究。由于研究難度巨大，20世紀80年代，多方聯(lián)合提出建立全球最大的“人造太陽”裝置，ITER計劃全球聯(lián)合建設(shè)拉開帷幕。

目前，共有30多個國家參與ITER項目的設(shè)計、研發(fā)、建設(shè)及后期的裝置的運行，形成共有的技術(shù)和知識產(chǎn)權(quán)，為下一代“示范堆”奠定基礎(chǔ)。諶繼明表示，中國承擔了ITER項目的18個制造任務(wù)，其中包括真空室內(nèi)部件第一壁、磁體支撐系統(tǒng)等核心部分。

核聚變研究難度大的原因在于其反應(yīng)條件嚴苛。“氘氚聚變是最常見且最易實現(xiàn)的核聚變方式，但只有在1億攝氏度以上的極高溫條件下，氘、氚等輕原子核才能夠碰撞聚合，釋放出巨大的能量。”諶繼明解釋，當溫度、密度和維持時間都達標才能實現(xiàn)核聚變點火，同時還需要實現(xiàn)高溫下的控制才能有效輸出核聚變能量。“因此，ITER裝置由主機和用于發(fā)電的外圍兩大系統(tǒng)組成，其中主機系統(tǒng)更為復雜。”

怎樣打造“人造太陽”的“防火墻”?

國際專家來到中核集團核工業(yè)西南物理研究院交流

由于“人造太陽”所發(fā)生的核反應(yīng)需要上億攝氏度高溫下進行，這就需要一個潔凈的高真空環(huán)境，即大型環(huán)形真空室。經(jīng)研究，科學家們采用“甜甜圈”狀的托卡馬克可控熱核聚變裝置，通過將高溫高壓的等離子體約束并懸浮在環(huán)形空間內(nèi)部，以達到核聚變反應(yīng)的環(huán)境并實現(xiàn)控制。

而在此裝置中，直接面對極強熱輻射的第一壁便是最重要的核心技術(shù)之一。諶繼明介紹，第一壁發(fā)揮了巨大的作用，它要限制等離子體越界的同時保護外圍設(shè)備不被高溫損傷，還要把核聚變反應(yīng)釋放的能量帶出來，用于外圍儲能發(fā)電。

ITER第一壁內(nèi)側(cè)增強熱負荷部件是中國承擔設(shè)計、研發(fā)、制造的關(guān)鍵部件之一。整個660平方米的真空室第一壁表面由440個部件組成，其中中國承擔的部分占比12%，是制造難度最大的部件之一，其接受的表面熱輻射達到每平方米4.7兆瓦，相當于太陽照射地球表面熱量的4700倍。憑借50多年可控核聚變研究經(jīng)驗，核工業(yè)西南物理研究院成為該“防火墻”的“承建商”。為保證質(zhì)量且按時提交部件，中國經(jīng)過近20年的發(fā)展和趕超，解決了材料加工、制造、連接等方面的多項技術(shù)難題，實現(xiàn)ITER關(guān)鍵部件研發(fā)的實質(zhì)性工程突破。

何以在未來繼續(xù)領(lǐng)跑?

中核集團核工業(yè)西南物理研究院ITER增強熱負荷第一壁項目團隊正在攻堅克難

隨著原型件所有手指的制造和最終的裝配推進，2022年11月，ITER增強熱負荷第一壁完成了首件制造，初步檢測表明該部件的核心指標優(yōu)于設(shè)計要求，具備了批量制造的條件。諶繼明指出，這也標志著中國全面突破了“ITER增強熱負荷第一壁”的關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)該項核心科技的全球領(lǐng)跑，為下一階段的批量生產(chǎn)，按期按質(zhì)按量向ITER國際組交付產(chǎn)品，保障ITER裝置的順利運行提供了條件。

要保證核聚變進行的潔凈環(huán)境，就需要真空室內(nèi)所有部件不能有冷卻劑泄漏。“如果等離子體和核聚變被污染，反應(yīng)便不可持續(xù)。”諶繼明介紹，因此，2018年，團隊成功開發(fā)了一項模擬聚變實際運行工況的氦檢漏技術(shù)，在250攝氏度高溫和4個兆帕，即40個大氣壓的高壓情況下進行檢測。在科技部的支持下，團隊成功研制了全球首項能夠檢測部件且檢測結(jié)果達到ITER要求的技術(shù)，并向ISO國際組織提出申請，成功立項一項聚變堆承壓部件高溫高壓熱氦檢漏方法的國際標準。

“這是全球核聚變領(lǐng)域的中國智慧，意義重大。”諶繼明表示，這一由中方牽頭推薦的國際標準將成為全球核聚變領(lǐng)域的首個國際標準，為核聚變工程領(lǐng)域做出貢獻。“希望我們按期甚至提前交付部件，及早地履行我們的國際的承諾，共同助力‘人造太陽’早日從理想變?yōu)楝F(xiàn)實。”諶繼明說。