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磁约束核聚变国际发展态势分析

来自《国际科学技术前沿报告.2018》   作者:  ISBN:978-7-03-058834-0 
中图法分类:N1  出版日期:2018-11 
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内容提要

核聚变能被视为人类可持续发展最理想的未来能源,受控核聚变研究的最终目标是实现核聚变能的商业化应用。经过半个多世纪的不懈努力,世界各国已经在磁约束核聚变理论方法、关键技术和实验装置(如托卡马克和仿星器等)上取得了突破性进展,托卡马克实现聚变反应并作为受控磁约束核聚变反应堆的科学可行性已经得到初步验证,成为未来实现受控核聚变能的主要研究途径之一。目前,包括中国在内的7个世界主要核聚变研究国家和地区正投入巨大财力、人力,联合建造世界上规模仅次于国际空间站的大科学工程计划——托卡马克类型的国际热核聚变实验堆(ITER),努力解决与托卡马克聚变反应堆工程可行性和商用可行性密切相关的稳态先进托卡马克运行模式及燃烧等离子体物理这两大科学问题。

为了早日获得清洁安全的聚变能源,世界主要发达国家纷纷制定了聚变能研究战略,探索和发展能直接用于商用聚变堆的各种新技术和新概念,以加快这一进程。美国聚变能科学战略框架主要集中在燃烧等离子体下的基本行为、燃烧等离子体下的壁材料研究、面向燃烧等离子体的高功率注入及等离子体诊断四个研究范畴。欧盟以ITER和国际热核聚变材料辐照设施(IFMIF)同时建设和平行运行为基础,制定了聚变能研究路线图,并在“地平线2020”计划中斥巨资部署重大任务。日本通过将JT-60改造为大型超导托卡马克装置JT-60SA,开展燃烧等离子体物理实验以解决ITER和示范聚变电站(DEMO)之间的稳态运行问题,并探索螺旋场约束和激光核聚变等替代方法。中国政府积极制定了聚变能开发战略,将战略划分为“聚变能技术—聚变能工程—聚变能商用”三个阶段,同时设定了清晰的近期、中期、远期目标。俄罗斯将建造高温磁约束氘氚等离子体热核聚变反应堆,开发并建造聚变中子源,为加速聚变应用提出了到2050年的未来聚变研究计划的发展路线。韩国政府通过《聚变能源开发促进法》,与美国普林斯顿等离子体物理实验室达成协议,启动聚变堆示范装置的研发计划项目。在通向聚变能商业化的道路上,世界主要磁约束核聚变研究国家集中主要力量和科技成果保证合作建设ITER的研发需求,同时保持各国大型研究装置的运行,为未来研发商用示范聚变堆积累技术和人力资源。

磁约束核聚变研究是一门复杂的综合科学,涉及物理、化学、材料和工程等多个领域,关键技术包括磁体材料和系统、大规模电源和电力技术、超高真空及壁处理技术、高时空分辨的诊断技术、数据采集和等离子体控制技术、射频波和高能中性束加热及电流驱动等技术。对超导托卡马克,还需要超导磁体设计、实验、运行和保护技术及低温制冷(液氦温区)技术;对托卡马克反应堆,还包括包层设计与加工、安全运行和中子学技术;对聚变反应堆,运行和维护需要研发恶劣核环境下的遥控技术和所有相关材料。2017年以来,磁约束核聚变研究在理论研究、材料开发及实验和制造工艺上均已经取得多项重要成果。

分析全球核聚变研究的科学引文索引(SCI)论文,可从文献计量角度揭示出聚变领域的主要国家、研究机构和科研人员特征。该领域2007~2016年每年发文量均在2000篇以上,参与国家、研究机构众多。美国在聚变等离子体物理领域的发文量、总被引次数和H指数均位列全球第1位,且大幅领先于排在第2位的德国及其他国家,我国发文量位列第3位。从发文时序看,我国在2007~2016年的论文快速增长,年度发文量在2015年接近美国,并在2016年超过美国。从趋势变化来看,我国在核聚变研究的发文量仍将保持快速增长趋势。中国科学院整体在该领域的发文量位列第2位但论文影响力离顶尖研究机构还有很大差距,下属研究机构中发文量最多的是合肥物质科学研究院和中国科学技术大学。

我国聚变大科学装置不断取得技术突破,并为核聚变研究和ITER建设做出重要贡献。东方超环(EAST)先进超导托卡马克实验装置代表了我国目前在核聚变领域的最高科研水平。我国未来聚变发展战略应瞄准国际前沿,广泛利用国际合作,夯实我国磁约束核聚变能源开发研究的坚实基础,加速人才培养,以现有中型、大型托卡马克装置为依托,建立知名的磁约束核聚变等离子体实验基地,开展国际核聚变前沿课题研究,探索未来稳定、高效、安全、实用的聚变工程堆的物理科学和工程技术。

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