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段旭如:加速領跑 20至30年內實現“人造太陽”

來源:中核集團 發布日期:2024-03-13

640.jpg可控核聚變一直被認為是解決人類能源問題的“終極答案”。2月29日,全球最大“人造太陽”國際熱核聚變實驗堆(ITER)組織與中核集團中核工程牽頭的中法聯合體正式簽署真空室模塊組裝合同。這是中國在成功安裝其心臟設備之后,再次承擔其核心設備的安裝任務。正如童謠“種太陽”所唱的那樣,人類親手種下的“太陽”正在茁壯生長,未來將為世界提供更多的溫暖與明亮。那么,中國的可控核聚變研發水平如何?在全球合作中扮演著怎樣的角色?真正的“人造太陽”還要多久能夠完全實現?可控核聚變與當下如火如荼的人工智能是否有深度融合的可能?全國政協委員、中核集團聚變堆核電站技術分領域首席專家段旭如接受記者采訪時,給出了令人振奮的回答。


突破再突破


國際核聚變能開發進入新階段


2023年,國務院國資委啟動實施未來產業啟航行動,明確可控核聚變領域為未來能源的重要方向。去年年底,在中核集團的牽頭下,由25家央企、科研院所、高校等組成的可控核聚變創新聯合體正式宣布成立。在您看來,我國核聚變研發目前處于一個什么樣的階段?近年來都取得了哪些重要進展?“人造太陽”距離我們還有多遠?


段旭如(以下簡稱“段”):自參加ITER計劃以來,我國相關科研實力得到了極大提升,核聚變技術已從過去的跟跑到并跑,到部分技術達到國際領先水平。同時,在聚變科研方面培養了一批具有國際視野的人才,建成了多座國際先進的研發平臺。當前重點開展聚變等離子體實驗研究及聚變堆設計與工程技術研發,特別是為釋放聚變堆研發風險,正積極籌劃在聚變實驗堆前盡快開展氘氚燃燒等離子體實驗,以夯實氘氚運行科學和技術基礎,加快向實驗堆工程階段邁進。


近年來,我國可控核聚變研究不斷取得突破。東方超環(EAST)首次實現403秒的長時間高約束模式運行,國內當前規模最大、參數能力最高的新一代人造太陽“中國環流三號”實現100萬安培等離子體電流下的高約束模式運行,再次刷新我國磁約束聚變裝置運行紀錄,標志我國磁約束核聚變研究向高性能聚變等離子體運行邁出重要一步。同時,我國聚變堆關鍵技術研發也取得了一系列重要進展。在聚變堆“點火”所需的外部加熱技術方面,我國研發的射頻負離子源中性束實現單級加速電壓超160KV,平均束流密超270A/m2,技術指標國際領先。在聚變堆涉核關鍵技術方面,我國ITER產氚包層(TBM)系統率先通過了ITER設計評審,制造出全球首個全尺寸聚變堆產氚包層驗證模塊,率先完成ITER增強熱負荷第一壁全尺寸原型件認證,并發布全球首項核聚變領域國際標準。2023年,中核集團牽頭實施的ITER托卡馬克主機安裝第一階段任務圓滿完成,并得到ITER組織高度肯定。


近年來,世界核大國均已開始加快推進本國的聚變能源研發部署,社會資本也在加速涌入,核聚變能開發正進入新的發展階段。在全球范圍內,歐美相繼在JET和TFTR裝置上成功開展氘氚實驗,國際熱核聚變實驗堆ITER也已開始安裝,國際聚變能源研發正逐步邁向實驗堆工程階段,核聚變研發進入寶貴機遇期。2019年,中核集團牽頭的中法聯合體成功中標國際熱核聚變實驗堆主機安裝一號合同,意味著我國五十多年的核聚變技術積累和國際影響力獲國際的認可。這些為我國未來深度參與ITER實驗運行、自主設計建造聚變先導工程實驗堆奠定了科學和技術基礎。


從我國核工業取得成功的寶貴經驗來看,“實驗堆—示范堆—商用堆”的聚變堆工程發展路徑,是核能走向能源應用的客觀規律,我們需要腳踏實地走好每一階段。預計再經過20到30年的時間,“人造太陽”將為人類提供低碳、高效、安全的新型能源。


AI+聚變


產業融合促進新型能源體系構建


2月21日,美國普林斯頓大學網站報道稱,研究人員已研發出一個可用于實時預測聚變堆等離子體不穩定性的人工智能模型,可以提前300毫秒預測撕裂模不穩定性。您如何看待這一事件?在當前人工智能研究如火如荼的大環境下,核聚變研究與人工智能是否有深度融合的可能?應當從哪些方面著手加快推進我國聚變能開發?


段:當前,人工智能已經逐步介入核聚變研究領域,并呈現深度融合的趨勢。近幾年,人工智能已經應用于等離子體運行監測(破裂預測)、控制及不穩定性預測等研究中,取得了不錯的成績??傮w看,人工智能在核聚變研究中的應用還處于起步階段,具有很大的發展空間和潛力。核聚變研究經歷了幾十年的發展,已經積累了豐富的實驗物理及工程數據。人工智能在處理大數據方面的優勢,對挖掘核聚變研究實驗結果,加快核聚變研究進程將具有很大推動作用。


此外,隨著國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃不斷深入推進及聚變堆設計研究工作的開展,人們認識到,要實現核聚變能源應用,仍面臨一些關鍵科學和技術挑戰,主要包括氘氚聚變等離子體穩態自持燃燒、聚變堆材料以及氚自持等科學技術問題亟待解決。近年來,我國核聚變技術相關科研實力得到了極大提升,在聚變科研方面培養了一批具有國際視野的人才,建成了多座國際先進的研發平臺。但對于核聚變能應用所面臨的關鍵科學技術問題,無論是人才儲備還是研發能力仍需進一步加強。


針對上述問題,需要充分發揮我國新型舉國體制優勢,統籌布局,協調好現有優勢力量與資源,團結協作,集中力量協同攻關聚變堆關鍵技術。充分發揮工業界和企業集團科技創新主體等作用,發揮企業在工程設計、材料生產、裝備制造等領域的產業賦能優勢,助推產學研協作效率的提升,推進我國核聚變能開發高質量發展。


隨著科學技術的進步以及人民生活水平的提高,以化石能源為主的現有能源將不能滿足經濟社會發展的需要,取之不盡用之不竭的清潔安全的能源是人類孜孜以求的未來理想能源。核聚變能具有資源豐富、環境友好和固有安全性等明顯優勢,是目前認識到的最終解決人類能源問題與環境問題的重要途徑。期待聚變能未來可以走進千家萬戶,在助推我國“雙碳”目標實現、促進新型能源體系構建和保障國家能源安全發揮更大作用。


小堆有“大”用


加快法規建設迫在眉睫


除了可控核聚變,先進小型模塊化反應堆也是全球先進核能技術研發的焦點。目前,“玲龍一號”項目進展情況如何?在我國新型能源體系的建設中,小型模塊化反應堆會發揮怎樣的作用?為何要加快完善適應小型模塊化反應堆法規標準的建設?


段:“玲龍一號”是中核集團在成熟壓水堆核電站和核電技術的基礎上開發的具有自主知識產權的創新型核反應堆,是全球首個通過國際原子能機構(IAEA)通用安全審查的小型模塊化壓水反應堆。目前,“玲龍一號”項目建設正在順利推進中,今年2月6日,“玲龍一號”外穹頂吊裝成功,反應堆廠房的主體結構已全部施工完成,為后續反應堆廠房的封頂奠定了基礎?!傲猃堃惶枴表椖款A計在2026年如期投產發電,預計每年發電量可達10億千瓦時,滿足海南52.6萬戶家庭用電需求,每年可減少二氧化碳排放量約88萬噸,相當于一年植樹750萬棵。


小堆因其系統設備簡化、選址靈活、投資少,以及可根據用戶需求靈活設計和配置等諸多優勢,近年越來越受到核能行業的關注,推廣小型堆的多用途利用已成為業界共識。小堆不但是熱電冷三聯供的理想熱源,還可以實現核能制氫、海水淡化等用途,通過與高耗能高碳排行業的耦合發展,助力其清潔低碳轉型發展,助力我國新型能源體系建設。


目前,針對小堆在項目審批、安全審查、核事故處理、應急補救措施、安全防護等方面的法規標準體系尚不完善,存在較多空白。如果直接套用大型反應堆的法規標準體系,將造成冗余設計過多,無法反映小堆自身的優勢,反而會制約小堆的發展。另外,小堆的選址與建造通常與目標用戶距離較近,因而受到公眾的更大關注。因此,制定并完善適用于小堆的安全監管法規及相關標準體系,有利于小堆項目評審落地,推動小堆產業的高質量發展。


作為核能創新的典型代表,小堆具有用途多元、部署靈活、環境友好、安全性高等突出特點,具有很好的發展預期和市場前景,將與大型壓水堆形成互補發展的良好局面,共同為構建新型電力系統、助力我國“雙碳”目標實現作出重要貢獻。


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