清華大學(xué)工程物理系副教授、星環(huán)聚能首席科學(xué)家 譚熠:聚變能具有無(wú)限清潔、安全、廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn),聚變能是有強(qiáng)烈的理想色彩,同時(shí)又有巨大的現(xiàn)實(shí)利益的一件事情,它可以讓大家成為星際文明,也會(huì)帶來(lái)15萬(wàn)億美元能源市場(chǎng)的巨大想象空間。從理想主義來(lái)看,聚變能帶來(lái)的想象空間更加充滿未來(lái)感。如果有廉價(jià)的聚變能,我們可以把種植業(yè)轉(zhuǎn)化為制造業(yè),我們不用去種田,可以在工廠里生產(chǎn)糧食,耕地可以用來(lái)給大家改善居住條件。如果有廉價(jià)的聚變能,我們可以把雅魯藏布江的水抽到青藏高原,大規(guī)模地修復(fù)環(huán)境,還可以徹底解決我們的能源安全,因?yàn)槿绻覀冋婺茏龅椒植既珖?guó)的聚變電站,就再也不用擔(dān)心馬六甲海峽的問(wèn)題。此外,聚變可以讓火箭的比沖提升幾百倍,火箭可以更加快速地抵達(dá)火星甚至抵達(dá)太陽(yáng)系以外,成為真正的星際文明的基礎(chǔ)。
無(wú)限、清潔、安全而且廉價(jià)的聚變能帶來(lái)的不止更便宜的電力,可以讓大家把很多問(wèn)題的解決思路都徹底顛覆。如此美好的聚變能在科學(xué)上已經(jīng)充分證實(shí)了它的可行性。從1990年代起,在JET和TFTR等托卡馬克上多次產(chǎn)生相當(dāng)于數(shù)十度電的聚變能,2021年美國(guó)NIF(國(guó)家點(diǎn)火裝置)在激光聚變裝置上多次產(chǎn)生相當(dāng)于一度電的聚光能。聚變能的優(yōu)勢(shì)大家非常清楚,聚變能的科學(xué)可行性也是完全得到證實(shí)的,接下來(lái)的重要問(wèn)題就是我們到底怎么實(shí)現(xiàn)聚變能。聚變能的探索人類已經(jīng)持續(xù)了70多年,發(fā)展出來(lái)很多的技術(shù)路線。托卡馬克應(yīng)該說(shuō)是目前研究最廣泛、技術(shù)最領(lǐng)先的磁約束聚變能開(kāi)發(fā)路線,被研究院所、企業(yè)廣泛采用。
托卡馬克發(fā)展到現(xiàn)在,從1950年代被蘇聯(lián)人發(fā)明,到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展出了三個(gè)分支。如果考慮聚變功率,要么把尺寸做大,要么把磁場(chǎng)提高,要么把磁場(chǎng)利用效率提高。有些方案走的是巨型托卡馬克路線,把尺寸盡可能增加,這樣技術(shù)比較穩(wěn)妥,沒(méi)有太大的風(fēng)險(xiǎn),問(wèn)題就是它的制造周期會(huì)比較長(zhǎng),投入的資金量驚人,可能達(dá)到千億級(jí)。為了降低投入成本,很多人希望把尺寸降下去,把磁場(chǎng)提高也是一個(gè)辦法,就把它命名為強(qiáng)場(chǎng)托卡馬克,這樣我們可以把尺寸控制住,但是聚變功率仍然是可觀的。還有一個(gè)路線是將磁場(chǎng)利用效率提上去,尺寸可以控制得很小,磁場(chǎng)也不需要太高,球型托卡馬克也是很多機(jī)構(gòu)、公司使用的。
托卡馬克還有一些其他的問(wèn)題需要解決,比如托卡馬克非常依靠兆安培級(jí)別的等離子體電流完成等離子體約束,長(zhǎng)時(shí)間維持這么一個(gè)巨大的電流,成本是非常高的,不管是建造成本還是運(yùn)行成本和維護(hù)成本,對(duì)于未來(lái)的聚變電力競(jìng)爭(zhēng)都不是一件好事。為了解決這些問(wèn)題,清華大學(xué)工程物理系就是我們團(tuán)隊(duì)和星環(huán)聚能公司正在探索一種基于緊湊托卡馬克的往復(fù)式聚變堆,球型托卡馬克的方案,使得整個(gè)等離子磁場(chǎng)的利用效率得到大幅度提升。等離子的空間占比也在聚變體里有比較高的利用效率。另外我們利用了高溫超導(dǎo)磁體,希望把磁場(chǎng)提高,把磁體做得更加緊湊,把整個(gè)聚變堆的運(yùn)行模式改成內(nèi)燃機(jī)那樣的往復(fù)式運(yùn)行模式,相當(dāng)于不用等離子體長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)維持,解決了很多電流驅(qū)動(dòng)的麻煩。另外我們把加熱方式也改成磁重聯(lián)加熱方式,加熱的結(jié)構(gòu)非常緊湊,效率還非常高。我們做了這樣一個(gè)技術(shù)路線以后,最大的優(yōu)勢(shì)是整個(gè)聚變堆周圍會(huì)變得非常干凈,不需要那么多輔助加熱設(shè)備,整個(gè)堆的建造成本、運(yùn)行成本、維護(hù)成本都會(huì)大幅降低。
基于這樣的技術(shù)路線,星環(huán)聚能公司和清華大學(xué)有自己的一套聚變能開(kāi)發(fā)路線圖,到目前為止走完了第一步,非常早期的探索階段?,F(xiàn)在基本走完了第二步,初步的工程驗(yàn)證。目前進(jìn)展在第二步和第三步之間。第三步我們會(huì)把整個(gè)路線最終工程驗(yàn)證完成,然后開(kāi)始建造示范堆以及未來(lái)的量產(chǎn)聚變電站。接下來(lái)我把這條技術(shù)路線最新的研發(fā)進(jìn)展跟大家做一下匯報(bào)。
整個(gè)研發(fā)進(jìn)展是基于初步工程驗(yàn)證裝置SUNIST—2的建設(shè)和運(yùn)行開(kāi)展的。SUNIST—2的設(shè)計(jì)和建設(shè)進(jìn)程:首先在2019年之前開(kāi)展了物理設(shè)計(jì),2019年國(guó)家自然科學(xué)基金重大科研儀器研制項(xiàng)目啟動(dòng),2020年啟動(dòng)了工程設(shè)計(jì),2020年底與等離子所簽署了第一筆加工合同,開(kāi)啟了整個(gè)裝置的零部件加工和試裝。2022年清華大學(xué)與星環(huán)聚能開(kāi)展了成果轉(zhuǎn)化的合作,在星環(huán)聚能的基地開(kāi)始組裝這臺(tái)試驗(yàn)裝置,在2023年通過(guò)了調(diào)試和運(yùn)行。從場(chǎng)地開(kāi)工到建成裝置只用了279天,速度很快。從一片空地開(kāi)始建設(shè)場(chǎng)地,再建造裝置。我們同步把磁體電源開(kāi)發(fā)出來(lái)了,同時(shí)建設(shè)了等離子診斷和壁處理設(shè)備,從磁、太赫茲到可見(jiàn)光到湯姆遜散射等等,也都在同期建設(shè)完成。2023年上半年開(kāi)始了第一等離子體的運(yùn)行,初期經(jīng)過(guò)一天的調(diào)試,第二天獲得了第一等離子體,這也是非??斓乃俣攘恕5谝淮芜\(yùn)行達(dá)到100千安的等離子體電流,然后馬不停蹄地開(kāi)始裝置的進(jìn)一步升級(jí)改造。第二輪運(yùn)行期間成功獲得了往復(fù)式的運(yùn)行方式,我們是在上下兩端產(chǎn)生等離子體,把它向中間推,向中間運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中,等離子環(huán)會(huì)發(fā)生磁場(chǎng)重聯(lián),中間這個(gè)星部變黑了,等離子體看不見(jiàn)表示它的溫度非常高,得到了顯著的加熱,這個(gè)時(shí)候輻射在可見(jiàn)光之外,人眼已經(jīng)感受不到了。
我們繼續(xù)把裝置做了升級(jí)改造,把石墨壁加上去,診斷也升級(jí),結(jié)構(gòu)加固。第三輪運(yùn)行進(jìn)一步將性能做了提升,等離子電流是原來(lái)的兩倍,磁場(chǎng)達(dá)到0.8特斯拉,重復(fù)運(yùn)行,各項(xiàng)溫度也都能夠測(cè)得到。
第四輪運(yùn)行現(xiàn)在還在繼續(xù),基本上把我們的控制能力達(dá)到了非常高的狀態(tài)。這是我們?cè)O(shè)計(jì)的等離子放電波的形態(tài),中間是實(shí)際試驗(yàn)得到的等離子形態(tài),兩個(gè)相比幾乎一模一樣,我們把試驗(yàn)結(jié)果通過(guò)我們的反演做了反推,這三者是相當(dāng)吻合的,表示我們的控制能力、等離子體性能都達(dá)到了相當(dāng)高的水平。
這就是整個(gè)技術(shù)路線的進(jìn)展。
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