核聚变技术,被誉为“人造太阳”的能源梦想,是人类探索清洁能源的重要方向。中国在这一领域的研究和进步已经取得了令世界瞩目的成就。本文将详细介绍中国在核聚变技术发展上的历程。
1、初步探索(20世纪50年代至70年代)
在全球核聚变研究诞生之时,中国科学家就开始关注这一领域。1955年,钱三强和李正武等科学家便提议开展中国的“可控热核反应”研究。60年代开始,中国自主探索核聚变技术,并进行了一些基础研究。这一时期的探索为后续的研究奠定了基础。
2、基础实验(20世纪70年代至90年代)
1978年,中国制定了“引导-控制”计划,标志着中国核聚变研究的起步。此后中国开始建设首个小型托卡马克(Tokamak)装置。1984年,中国第一个托卡马克装置——北京大学的“北京环流器Ⅰ号”(HL-1)的建成并投入研究工作,中国核聚变研究取得了显著进步。
3、正式布局与国际合作(90年代至21世纪初)
90年代,随着“HL-1M”和“HT-7”(1995年中国第一个超导托卡马克装置HT-7在合肥建成)等先进的核聚变实验装置的建设和启动,2002年中国建成第一个具有偏滤器位形的托卡马克装置中国环流器二号 A(HL-2A),中国的核聚变研究步入了新阶段。加入国际热核聚变反应堆实验项目(ITER)成为中国核聚变领域的一个重要决策。中国积极参与ITER项目,并借此机会大力推进核聚变技术及人才的培养。
4、自主创新与技术升级(21世纪初至今)
2006年,由中科院合肥物质科学研究院研发的超导托卡马克核聚变实验装置“东方超环”(EAST)成功实现首次放电,这是世界上第一个全超导非圆截面的托卡马克装置,使中国成为世界上少数拥有核聚变实验装置的国家之一。2010年,EAST运行1兆安等离子体电流,进一步验证了中国在该领域的技术实力。
2016年2月3日,中国“人造太阳”EAST物理实验获重大突破,成功实现电子温度超过5000万度、持续时间达102秒的超高温长脉冲等离子体放电,标志着中国在稳态磁约束聚变研究方面继续走在国际前列。
2018年11月12日,EAST实现1亿摄氏度等离子体运行等多项重大突破,获得的实验参数接近未来聚变堆稳态运行模式所需要的物理条件,朝着未来聚变堆实验运行迈出了关键一步。
2021年5月28日,EAST实现可重复1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行。同年12月30日,EAST实现1056秒长脉冲高参数等离子体运行,其间电子温度近7,000万摄氏度,创下当时托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间纪录。
5、进一步突破与国际领先(近几年)
近年来,中国可控核聚变研究继续推进。中国正计划建设的“中国聚变工程实验堆”(CFETR)旨在搭建一个中等规模的聚变反应堆,填补EAST与ITER之间的空白,并进一步推进实现商业热核聚变的目标。
2020年12月4日,中国环流器二号M装置(HL-2M)在成都建成并实现首次放电,标志着中国自主掌握了大型先进托卡马克装置的设计、建造、运行技术,为我国核聚变堆的自主设计与建造打下坚实基础。2022年10月19日,HL-2M等离子体电流突破100万安培,创造了中国可控核聚变装置运行新纪录。
2023年4月12日,正在运行的世界首个全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)成功实现了403秒稳态长脉冲高约束模式等离子体运行,刷新了2017年托卡马克装置高约束模式运行101秒的纪录。2023年7月12日,中国联合球形托卡马克2号新概念磁约束核聚变探索装置-(SUNIST-2)建成并首次放电。
2023年8月15日,全球首个全高温超导托卡马克装置洪荒70高温超导托卡马克装置总体安装正式启动,核聚变商业化进程将加速。
2023年8月25日,新一代人造太阳“中国环流三号”首次在100万安培(1兆安)等离子体电流下实现了高约束模式运行,再次刷新我国磁约束聚变装置运行纪录。
2023年12月29日,以“核力启航 聚变未来”为主题的可控核聚变未来产业推进会在蓉召开。由25家央企、科研院所、高校等组成的可控核聚变创新联合体正式宣布成立。国务院国资委启动实施未来产业启航行动,明确可控核聚变领域为未来能源的重要方向。
2024年3月20日,中国核工业集团公司(CNNC)宣布即将包括中国最新一代的“人造太阳”——环流三号(HL-3)托卡马克在内的十个核技术研究和测试平台对外开放,这一措施不仅有助于增强中国在全球核科技领域的影响力,同时也推动了国际间在应对能源危机方面的合作。
6、结语
中国可控核聚变的发展经历了从跟随学习到自主创新,再到积极参与国际合作的全过程。目前,中国在可控核聚变的研究方面已经走在国际前列,具有引领全球核聚变发展的潜力。随着技术的不断进步和国际合作的深化,中国有望在不久的将来实现核聚变能源的商业化应用,为解决全球能源问题和推动可持续发展做出重要贡献。