可控核聚变迈出坚实一步！我国“人造太阳”全球首次放电成功

全球首台全高温超导托卡马克装置在上海建成运行，这一装置的运行标志着我国在全球范围内率先完成了高温超导托卡马克的工程可行性验证。

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“洪荒70”实现等离子放电

日前，位于上海的聚变能源商业公司能量奇点宣布，由能量奇点设计、研发和建造的洪荒70装置成功实现等离子体放电。这是全球首台全高温超导托卡马克装置，也是全球首台由商业公司研发建设的超导托卡马克装置。

托卡马克装置被称为“人造太阳”，被全球广泛用来研发可控核聚变发电。高温超导托卡马克装置尺寸小、成本低，具有商业化发电的潜力。这一装置的运行标志着我国在全球范围内率先完成了高温超导托卡马克的工程可行性验证。

以“洪荒70”建成运行为起点，能量奇点计划投入研发下一代强磁场高温超导托卡马克装置“洪荒170”，该装置以实现氘氚等效能量增益（Q）大于10为目标，计划2027年建成，2030年后建成可用于示范性聚变发电站的托卡马克装置。

能量奇点介绍，“洪荒70”进行了基于局部螺旋磁通注入（电子枪）和离子回旋加热（ICRF）两种预电离方式的放电实验，并成功获得第一等离子体。“洪荒70”中心场强0.6特斯拉，等离子体大半径0.75米，其磁体系统由26个高温超导磁体构成。这是全球首台全高温超导磁约束聚变装置，也是全球4台在运行的全超导托卡马克之一。

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可控核聚变迈出坚实一步

作为新质生产力的重要一环，可控核聚变被认为是“人类终极能源”，也被称为“人造太阳”，具有无限、经济、可计划、清洁、安全等诸多优点，是解决能源及环境问题的重要途径之一。

核能是能源家族的新成员，包括裂变能和聚变能两种主要形式。裂变能是重金属元素的核子通过裂变而释放的巨大能量。受控核裂变技术的发展已使裂变能的应用实现了商用化，如核(裂变)电站。

裂变需要的铀等重金属元素在地球上含量稀少，而且常规裂变反应堆会产生放射性较强的核废料，这些因素限制了裂变能的发展。聚变能是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核并释放出的能量。目前开展的受控核聚变研究正是致力于实现聚变能的和平利用。

受控热核聚变能的研究主要有两种--惯性约束核聚变和磁约束核聚变。前者利用超高强度的激光在极短的时间内辐照氘氚靶来实现聚变，后者则利用强磁场可很好地约束带电粒子的特性，将氘氚气体约束在一个特殊的磁容器中并加热至数亿摄氏度高温，实现聚变反应。

而托卡马克(Tokamak)是前苏联科学家于20世纪50年代发明的环形磁约束受控核聚变实验装置。经过近半个世纪的努力，在托卡马克上产生聚变能的科学可行性已被证实，但相关结果都是以短脉冲形式产生的，与实际反应堆的连续运行有较大距离。

超导技术成功地应用于产生托卡马克强磁场的线圈上，是受控热核聚变能研究的一个重大突破。超导托卡马克使磁约束位形能连续稳态运行，是公认的探索和解决未来聚变反应堆工程及物理问题的最有效的途径。

托克马克从本质上说是一种脉冲装置，因为等离子体电流是通过感应方式驱动的。但是，存在所谓的“先进托克马克”运行的可能性，即它们可以利用非感应外部驱动和发生在等离子体内的自然的压强驱动电流相结合而实现运行。

等离子体物理研究所主要从事高温等离子体物理、受控热核聚变技术的研究以及相关高技术的开发研究工作，担负着国家核聚变大科学工程的建设和研究任务,先后建成HT-6B、HT-6M等托卡马克实验装置。

1994年底，等离子体所成功地建成中国第一台大型超导托卡马克装置HT-7，使中国进入超导托卡马克研究阶段，研究成果引起了国际聚变界的广泛关注。“九五”国家重大科学工程--大型非圆截面全超导托卡马克核聚变实验装置EAST计划的实施，标志着中国进入国际大型聚变装置(近堆芯参数条件)的实验研究阶段，表明中国核聚变研究在国际上已占有重要地位。

托卡马克作为唯一已完成科学可行性验证的磁约束聚变技术路线，一直是全球可控核聚变研发的焦点。其中，高温超导托卡马克将成熟物理与工程创新相结合，有望大幅提升装置性价比，加速实现聚变能源商业化，已成为全球范围内吸引市场化资金最多的聚变能源研发方向。

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稳步走向人类终极能源

人类现在已经开发出各种新能源，如太阳能、风能、水能、潮汐能、地热能等。这些新能源各有特点，都有实用价值。但是从根本上来说他们都只能作为一种辅助能源，要让这几种能源作为整个社会生产和人类生活所需的基本动力来源目前是不可能的。

上世纪五十年代开始登上世界能源舞台的核电站显示了巨大的威力，但这种核电站是以原子核的裂变反应为基础的，产生的放射性废物处理比较困难，而且主要核燃料铀的储量相对其它元素来说并不丰富，开采和提炼又十分困难，同时因为发展史上一些大事故，让人们对核电站心有余悸，甚至很多国家做出决策不再发展裂变核电站，因此原子核的裂变能并不是人类最理想的能源。

与其他能源相比，核聚变具备的优势是相当明显的——

1.原料资源丰富。其主要燃料氘跟氧结合成重水存在于海水之中，每公斤海水含氘0.03克。地球上有海水1021千克，含氘3×1016千克，目前全世界能源消耗水乎每年2×1020焦耳，只需燃烧106千克氘就够了。地球上的氘够用3×1010年之久，即使考虑到能源消耗水平逐年增加，也足以用上1010年，也就是几百亿年；

2.释放能量大。每单位质量的聚变燃料释放出的能量非常大，是裂变的四倍，“燃烧”一千克氘相当于四千克铀，相当于七千吨汽油或一万吨煤。即“燃烧”1千克海水=燃烧210千克(300升)汽油所获得的能量。

3.放射危害小。氘、氚等聚变反应中产生的氦，是没有放射性的。如果不在聚变堆加入铀、钍等裂变材料，那么聚变堆产生的放射性废物，主要是泄漏的氚，以及聚变时释放的中子、质子。聚变堆产生的放射性，比裂变堆少得多；

4.安全性高。聚变是自限过程——如果人们无法控制反应，它会自行停止。由于聚变反应只能在极端条件下发生，基于链式反应的裂变型事故或核熔毁不可能发生。

然而核聚变实现需要先提供能量，帮助原子核克服静电斥力。受控聚变的研究之所以如此艰难，根本的原因是由于所有原子核都带正电，2个带正电的原子核互相接近时，它们之间的静电斥力也越来越大。

而核力是一种短程力，必须使它们靠得足够近，达到10-15米以内，核力才能将它们“粘合”成整体形成新的原子核。铀-235、钚-239等的裂变，不需要入射中子及靶原子核具有任何动能；而为了使2个原子核聚变，首先必须使两个原子核的一方或双方有足够的能量，去克服彼此之间的静电斥力。

太阳时刻都在发生着核聚变反应，其中心温度有1500万度，表面温度最高到6000度，但是由于压力巨大，聚变反应可以自然地发生，但是在地球上实现持续核聚变所需的条件要比在太阳上苛刻的多。

超高温是核聚变必需的外部条件，用于帮助原子核获得能量。获得聚变能源最方便的途径，是将大量的聚变材料在极短的时间内，加热到极高的温度。温度越高，氘核运动的速度也越快。当温度达到1～2亿℃时，氘核运动的速度也就达到每秒1000～2000千米。

中国科学院等离子体物理研官网文章显示，根据实验资料估计，使两氘核相遇，它们的相对速度必须大于每秒1000千米，也即温度必须高达1亿度，因此超高温是发生核聚变所必需的外部条件。采用常规的方法，要想加热到如此高的温度是非常困难的。1945年原子弹研制成功以后，人们也就找到了在极短时间内加热到几亿度高温的方法。

不过“聚变点火”是第一步，工程应用还需获得净聚变能。利用聚变反应放出的能量来维持极高温度，毋需再从外界施入能量，反应能自持地进行下去，此时“烧”聚变原料“炉子”已经点着了。

表征这个概念的科学术语叫“聚变点火”。对于一定的温度，在一定的时间内，原子核之间互相碰撞的次数，与等离子体中原子核的密度成正比；而在一定密度的情况下，原子核之间互相碰撞的次数，与等离子体中保持这种密度的时间(约束时间)成正比。因此聚变反应中能量的释放，与等离子体的温度、原子核密度、约束时间三者的乘积(聚变三乘积)有关。

英国科学家劳逊在二十世纪五十年代详细研究了聚变点火必须的条件，因此点火条件也称劳逊判据，根据劳逊判据，只有聚变三乘积大于一定值，才能产生有效的聚变功率输出。

实现“点火”仅是受控核聚变研究的第一步，第二个目标是使输出的能量超过输入的能量，获得净聚变能。科学家们将第一个目标称为验证科学可行性，第二个目标称为验证工程技术可行性。

所有托卡马克的终极目标是将氘氚聚变原料加热到点火点或更高的温度，并加以控制地持续尽可能长的反应时间，以追求连续的聚变能量输出。

托卡马克中磁体系统是产生并控制磁场的重要部分，运行所需的磁场场强极大，磁体线圈中需通入大电流，常规金属导体自身电阻耗损严重，即使采用导电性良好的铜作为导体绕制线圈，由于电流巨大线圈不可避免地存在发热问题，从而限制了磁约束核聚变的长时间稳态运行。

由于超导体具有零电阻效应，且承载电流密度更高有利于建造更加紧凑、更高场强的聚变装置，能够有效改善长脉冲稳态运行，二十世纪后期，科学家们开始把超导技术用于托卡马克装置。

随着国际上众多大中型托卡马克的巨大进展，1985年前苏联和美国在日内瓦峰会上倡议由美、苏、欧、日共同启动“国际热核聚变实验堆(ITER)”计划。2003年2月，我国正式加入ITER计划谈判，2006年11月，中国在法国巴黎与欧盟、印度、韩国、俄罗斯和美国6方代表共同签署了《联合实施国际热核聚变实验堆计划建立国际聚变能组织的协定》。

ITER目标是建造一个核聚变实验堆，验证和平利用核聚变能的科学和技术可行性。ITER计划是我国第一次以完全平等身份参与的大型国际科技攻关项目，也是目前以全权伙伴身份参加的规模最大的国际科技合作计划。作为参与方之一，我国将承担超导材料、电源、包层、遥感技术和加料系统等５大领域的“采购包”任务。

聚变是我国核能战略“三步走”重要一环，我国核聚变能研究开始于上世纪60年代初，尽管经历了长时间非常困难的环境，但始终能坚持稳定、渐进的发展。中国核聚变研究从一开始，就以在我国实现受控热核聚变能为主要目标。

从70年代开始，集中选择了托卡马克为主要研究途径，先后建成并运行了小型装置CT-6(中国科学院物理研究所)、KT-5(中国科学技术大学)、HT-6B(中国科学院等离子体物理研究所)、HL-1(核工业西南物理研究院)、HT-6M(中国科学院等离子体物理研究所)。1983年我国提出了“热堆-快堆-聚变堆”核能发展“三步走”战略，具有重要战略意义。

自上世纪90年代以来，我国开展了中型托卡马克发展计划，探索先进托卡马克经济运行模式和托卡马克稳态运行等问题。1990年10月，中国科学院等离子体物理研究所在认真分析了国际核聚变发展的趋向后，与俄方正式达成协议，采用以易货贸易的方式将T-7引进。

此后，等离子体物理研究所用了3年时间将T-7装置升级为HT-7装置（合肥超环），特别是减少了纵场磁体个数以获得更多的等离子体诊断窗口空间，利于物理实验开展。

从1994年建成运行到2012年最后一轮实验，HT-7的成功让我国在超导托卡马克实验运行上积累了丰富经验，然而HT-7装置只有纵场磁体采用超导体绕制，用以激发等离子体的中心螺管磁体和用以控制等离子体的极向场磁体仍采用铜导体绕制。

未来聚变堆要向着稳态核聚变能源方向发展，全超导托卡马克是稳态运行的基础。1996年等离子体所向国家提出了建设HT-7U计划，2003年10月正式将装置名称改为EAST，由“Experimental”、“Advanced”、“Superconducting”、“Tokamak”四个单词首字母拼写而成，2006年建成。EAST装置是我国自行设计研制的国际首个全超导托卡马克装置，其成功建设和物理实验使中国在磁约束聚变研究领域进入世界前沿，令中国成为世界上重要的聚变研究中心之一。

04

核裂变打开核能利用大门

第四代核电站渐行渐近

核裂变研究对大众的现实意义更多时候体现在核能发电上。

自1951年12月美国实验增殖堆1号(EBR1)首次利用核能发电以来，核电站技术方案大致可分为四代。第一代属于原型堆核电厂，主要目的是为了通过试验示范形式来验证其核电在工程实施上的可行性；第二代主要是实现商业化、标准化、系列化、批量化，以提高经济性；第三代各国有各种不同看法，代表有美国AP1000，法国EPR，我国华龙一号等；第四代核能系统概念（有别于核电技术或先进反应堆）由美国在上世纪90年代末提出，随后美、法、日、英等国家组建了“第四代核能系统国际论坛(GIF)”，GIF计划总目标在2030年左右向市场推出能够解决核能经济性、安全性、废物处理和防止核扩散问题的第四代核能系统(Gen-IV)。

目前主流的三代技术是在二代技术的基础上继承改进的，第三代核电的概念则起源于上世纪90年代，当时美国电力研究院出台了“先进轻水堆用户要求”文件（即URD），用一系列定量指标来规范核电厂的安全性和经济性。随后，欧洲出台的欧洲用户对轻水堆核电厂的要求（即EUR），也表达了与URD相同或近似的看法。国际上通常把满足URD文件或EUR文件的核电机组称为第三代核电机组。

第三代核电站反应堆类型的代表，有美国西屋电气公司的AP1000，法国阿海珐公司的EPR，俄罗斯原子能公司的AES2006，中国的“华龙一号”、“国和一号”等。

第四代核电则是根本性革命性的变化，与三代方案以及概念完全不同。不管是二代还是三代，均属于热堆技术，其堆型绝大多数为压水堆，三代技术与二代相比，没有实质性的差别，只是安全性提高了一些，而第四代核电技术并不是在第三代技术基础上的延伸，它与当代核电技术相比，是根本性革命性的变化，包括方案以及概念完全不同。

第四代核反应堆是目前正在研发的、在反应堆概念和燃料循环方面有重大创新的下一代反应堆，其主要特征是安全可靠性高、废物产生量小、具有更好的经济性、具备多用途功能、可防止核扩散。

经过共同努力，2002年，GIF从130多种概念设计中遴选出气冷快堆(GFR)、铅冷快堆(LFR)、熔盐反应堆(MSR)、钠冷快堆(SFR)、超临界水冷堆(SCWR)、超高温气冷堆(VHTR)六种核能系统作为最有开发前景的第四代核能技术，并在其后发布了技术路线图（2014年进行了更新），确定并规划了推动这六种核能发展所必不可少的研发工作和相关时间节点。

我国在20世纪70年代开始高温气冷堆的研究，研究工作的实施主体为清华大学核研院。1986年，高温气冷堆被列为国家“863计划”项目之一。在国家“863计划”支持下，HTR-10第一罐混凝土于1995年6月浇灌，2000年达到临界，2003年1月实现满功率调试运行，成为世界上第一座球床模块式高温气冷实验堆。2006年，高温气冷堆进入国家16个重大科技专项名单，高温气冷堆的商业化正式提上日程。

中国华能集团、中国核工业建设集团公司和清华大学分别以47.5%、32.5%、20%的投资比例，共同投资建设20万千瓦级模块式高温气冷堆核电站示范工程，该工程于2008年10月启动，原定2009年9月开工，2013年11月投产发电，但由于受福岛核事故影响，2012年12月才正式开工建设，2021年8月20日首次装料，2022年底首次实现双堆初始满功率运行。目前该项目正在做最新的试验验证，截止2023年6月30日暂未商运。在此基础上，我国60万千瓦级模块式高温气冷堆的技术攻关工作也正在部署。

伴随国内HTR-10、石岛湾高温气冷堆示范工程的成功建设，中国高温气冷堆技术已经实现全球引领。高温气冷堆在石岛湾核电厂的示范成功，具备了规模化推广的基础。高品质工艺热和高参数高温蒸汽可广泛应用于石油、化工等领域。2015年4月，据中国核建介绍，商用60万千瓦高温堆江西瑞金核电项目初步可行性研究报告已通过专家评审。

这是中国核建在60万千瓦高温堆商业化推广道路上迈出的重要一步，为我国第一座商用高温堆电站项目的顺利开展奠定了坚实基础。在获得国家核准，并获得国家核安全局颁发的建造许可证后，江西瑞金高温堆核电项目一期工程2台机组，开工到并网发电预计需要4-5年时间。此外在国家科技重大专项“高温气冷堆核电站”支持下，高温气冷堆制氢关键技术研究也已取得良好进展。

总体而言，中国在第四代核电站领域的技术领先、自主知识产权的掌握以及积极的国际合作，使其在全球核能市场中占据了重要的话语权，也为可控核聚变技术的推进打下了坚实基础。

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编辑｜张毅

审核｜吴新

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