$中国核建(SH601611)$ 2024年2月29日，拥有全球最大“人造太阳”的国际热核聚变实验堆（ITER）组织与中核集团中核工程牵头的中法联合体，正式签署真空室模块组装合同。这是中国在成功安装其“心脏设备”真空杜瓦之后，再次承担其核心设备的安装任务，ITER项目也就此取得巨大进展。中国智造征服法兰西，可控核聚变输出全世界！酷玩实验室Coollabs原创2024-3-1919:01北京优质科技领2024年2月29日，拥有全球最大“人造太阳”的国际热核聚变实验堆（ITER）组织与中核集团中核工程牵头的中法联合体，正式签署真空室模块组装合同。这是中国在成功安装其“心脏设备”真空杜瓦之后，再次承担其核心设备的安装任务，ITER项目也就此取得巨大进展。从官网的消息我们可以得知，这个装置主体，是由39座建筑和技术区组成的，核心的托卡马克装置大楼是一座大型钢筋混凝土结构建筑，从地下13米一直延伸到地上60米，堪称庞然巨物，而装置旁边则是装配大厅、电气装置、控制室、废物管理设施劲和冷却ITER磁体的液氦工厂和冷却塔，从供能到冷却，可谓一应俱全。经常看我们内容的朋友们，应该对可控核聚变已经很熟悉了，但这个ITER可能还不是那么熟，那么这个组织到底是什么来头呢？01ITER是什么来头？ITER的历史可以追溯到20世纪80年代。从50年代起，美国和苏联这两个超级大国在核能领域展开了激烈的竞争，然而到了冷战后期，双方逐渐意识到，与其在核裂变领域进行无休止的军备竞赛，不如转而合作开发更为安全、清洁的核聚变能源。于是，在1985年的日内瓦峰会上，美国和苏联首次提出了共同建造一个国际热核聚变实验反应堆的设想。这一设想很快得到了国际社会的广泛响应和支持。经过多轮谈判和协商，欧盟、美国、俄罗斯和日本于1998年共同签署了ITER工程设计与研究项目协定，标志着ITER项目正式进入实施阶段。后来，随着ITER的设计工作开始推进，2001年敲定了具体的设计项目。而在5年之后的2006年，我们和印度、韩国也加入到了ITER项目，之后经过参与国家的多轮磋商，项目落地的最终选址定在了法国南部小城卡拉达彻。另外这个组织的合作方式也很有意思，和其他国际组织年年交钱不一样，ITER的分工，90%是以实际物体体现的，也就是说ITER的这些零部件是分别在不同国家进行建造的，各国向ITER移交这些零部件就相当于交会费了。如此一来，ITER的核聚变装置就成了全球核技术大杂烩。其中欧盟，主要就是装置所在地的法国，承担了45%的成本，而其他国家分别承担了大约9%。明确完权责之后，2007年相关建筑的建设开始动工，2010年基本建成，也就是上文图中的建筑群。建成之后，经过各国商讨，项目设定了一个初步目标。现阶段，是在2025年完成首次等离子体实验，进而证明大规模可控核聚变的可行性。中期目标，是达成设备在50兆瓦的能量输入的前提下，实现500兆瓦能量输出，使得到能量增益比大于10。而最终目标，则是在ITER的基础上，建立一个名为DEMO的商业聚变反应堆投入应用，向世界证明聚变能源的实际可行性。那么，ITER这次的目标能实现吗？我们又能否突破“永远的50年”呢？这一点，我们得先从技术开始说起。02突破“永远的50年”的关键一般来说，可控核聚变有两条技术路线，一条是惯性约束路线，一条是磁约束路线。美国现在主要走的是惯性约束路线，就是用超大功率激光器产生激光束，射向一个含氘氚的氢球形靶丸上使其崩溃，并产生1亿摄氏度左右的高温，从而触发氢同位素原子聚变，释放大量能量。现在美国方面的进度是国家点火装置NIF点火成功，并达成1.89倍的能量净增益。但是这个方向不得不说，没什么前途。具体原理和情况我们在之前的文章中已经详细介绍过，大家感兴趣的可以回去看看。另一个就是我们在走的磁约束路线，也是我们这篇要着重讲的。目前比较成熟的磁约束装置是托卡马克装置，ITER项目用的就是这种。如图所示，它的基本原理是通过磁场将等离子体约束在一定的空间内，使其达到高温高压的状态，从而引发核聚变反应。通俗点解释，我们可以把托卡马克装置看成一个大号高压锅，等离子体就是锅里的水，随着温度升高，等离子体就像水分子一样也会越来越活跃，直至沸腾，这时候原子核会相互碰撞并融合在一起，释放出巨大的能量。不过，盖托卡马克装置这口高压锅的盖子，也就是磁场线圈，它的技术标准非常高，它要求除了所需能量以外，其它一点多余的能量都不会逸散出来。因此，这除了“盖子”的材质本身以外，也非常考验“厨师”的火候。正如康奈尔大学博士曹祥坤所说，可控核聚变就是“如何点火”和“不烧坏炉子”的事儿。如果“火”大了，锅就漏气了，装置坏掉了，反应不了。如果火小了，“水”没开，也没法进行聚变反应。因此，如何确保锅中的“热汤”能够稳定地煮沸，并持续地产出能量，是可控核聚变一直以来都要攻克的难题。而这个问题已经困扰了人类半个世纪。好在，目前的技术发展速度已经让人类看到了曙光。自1978年中科院等离子体物理研究所成立以来，40年间，我们先后搞出了CT-6B、环流器二号A(EAST)、环流三号等多个先进托卡马克装置，中国聚变工程测试堆(CFETR)也取得了重大进展。尤其是在新世纪以后，我们的发展速度陡然提升。2006年，EAST面世，成了世界上首个全超导托卡马克装置，解决了一直以来长脉冲和稳态运行等离子体操作的问题，从技术角度来讲是“质变”，为等离子体的长期维持打下了基础。而有了这个基础后，近几年，我们的可控核聚变技术也逐渐出现多点开花，集中突破的现象。2021年，中科院合肥物质科学研究院有“东方超环”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）创造新的世界纪录，成功实现可重复的1.2亿摄氏度×101秒等离子体运行超过100秒，刷新世界纪录。同年年底，它又打破了自己的记录，把时间延长了十倍多，达到了1056秒，成为了全世界唯一一个能在1.2亿度下进行千秒级运行的托卡马克装置。可以说，我们验证了托卡马克装置长时间运行的可行性。而除了我们以外，以美国麻省理工为首的科研团队也靠材料科学，解决了小型托卡马克装置实现净能量增益的难题。2021年9月5日，麻省理工学院等离子体科学与聚变中心与核聚变初创公司CFS用稀土钡氧化铜（REBCO）设计和建造的大口径、全尺寸高温超导磁体的磁场达到了地球自然磁场的50万倍，将曾经的记录远远甩在身后，是目前世界上最强的核聚变磁体。这个技术突破，基本解决了托卡马克装置磁场线圈的问题，让它可以在更小的空间内，产生更强的磁场。迄今为止，要想制造出能够容纳加热到数亿度等离子体的磁性“瓶子”所需的强大磁场，唯一的方法就是加大聚变装置。但这项技术，证明了基于高温超导材料的托卡马克装置，其中心磁场强度可以达到原本技术路线低温超导材料的至少四倍，理论输出功率可以达到16倍，因此，可以用小型托卡马克装置实现净能量增益，这意味着托卡马克装置有了小型化的可能。如今在这条路线的探索上，有来自全球各地的，包括我国的能量奇点和星环聚能两个团队在内的，超过30个创业团队正在努力。而2023年，我们的“环流三号”首次实现100万安培等离子体电流下的高约束模式运行，也意味着，我们突破了等离子体大电流高约束模式运行控制、高功率加热系统注入耦合、先进偏滤器位形控制等多项此前无法攻克的关键技术难题。综上所述，从几大技术的进展来看，“永远的50年”已经被突破了，未来可控核聚变装置维持稳态的时间只会越来越长，只要能攻克能量输入输出比值的难关，技术应用，只是时间问题。因此，ITER计划在2025年的等离子体实验，在可控核聚变相关技术突飞猛进的今天，只要硬件设施跟上，是有可能成功的。而我们作为近年来可控核聚变技术发展最快，尤其是托卡马克装置核心设备硬件技术最丰富的国家，拿下本次安装任务也就顺理成章了。03现实意义不过，虽然有成功的希望，但这个法国装置自身，也存在不小的问题。虽说2010年的建成时间已经比美俄等国的核设施新了不少，但在过去的十多年中，技术发展日新月异，这种尖端科研设备最需要的就是能够兼容新技术，可我们都知道，相关的底层技术，包括超导、人工智能机器学习、大模型等领域都经历了飞速的发展。因此，我们回过头来看，尽管该项目在当时是前沿的，但其设计在今日的科技背景下已显得相对陈旧。这也是长期科技项目在发展过程中的一个明显隐患——随着底层技术的迅猛发展，早期的设计方案可能无法满足未来的技术要求，这样的技术落差，也会随项目周期的延长不断加大，进而影响到项目最终的结果。换句话说，项目还没有建成，就已经落后了。所以从我的个人观点来说，这次成功拿下订单，象征意义更大，更多地，是代表了国际对中国核技术的认可。恰好，在刚刚的“两会”上，全国政协委员、中核集团核聚变堆技术首席专家段旭如也表示，国内可控核聚变科研水平得到极大提升，技术水平已经逐渐由跟跑并跑突破到局部领先，未来更加积极参与国际合作，有利于提升我国可控核聚变竞争力。这也就意味着，以后中国的核技术注定要走向世界，为全人类走向能源自由贡献一份巨大的力量，而这次的合作，只是个开始，同时也是在大方向上，向全世界释放了和平合作研究核技术的积极信号。毕竟，长期来看，能源危机，一直都是高悬在人类头顶的达摩克利斯之剑。不论是只能用200年的煤炭，还是越开采越少的石油，都是不可再生的。就算在新能源领域，锂矿石可以回收利用，形成循环，但全球总储量依然有限。而核能不同，地球上占70%的大海里，就有45万亿吨的氘，其中，1升海水所含的0.03克氘，经过核聚变，就能提供相当于300升汽油燃烧后释放出的能量，可以说是取之不尽。同时，比起水能风能，核的发电过程更加可控，也不依赖储能，当风光发电不足时，它可以多发，风光发电充足时，就可以少发，能够做到为电网削峰填谷的功能，势必会成为碳中和之后新能源体系中的基石能源。而它高能量密度的特点，又能在小型化后，用在移动设备上。比如，技术成熟后，人类就可以在未来开着小型化聚变反应堆的核动力宇宙飞船探索深空。由此而言，未来可控核聚变技术路线的发展成熟，将是人类文明前进的必由之路，也是走向未来的最优解。参考资料：1.重大突破！我国掌握可控核聚变高约束先进控制技术_国家核安全局 (mee.gov.cn)2.[核能]核聚变是什么？_国家核安全局 (mee.gov.cn)3.什么是核聚变？它为什么如此难以实现？| IAEA4.ITER - the way to new energy5.1056秒！中国可控核聚变装置，实验时长再次打破世界纪录|能源|核聚变|托卡马克_新浪新闻 (sina.com.cn)6.全国政协委员段旭如：参与国际合作有利于提升我国可控核聚变竞争力|核聚变_新浪财经_新浪网 (sina.com.cn)7.美国首次实现聚变点火，核聚变两大技术路线谁将胜出？_腾讯新闻 (qq.com)8.可控核聚变发展提速：全球最大“人造太阳”主机安装 美众议院通过《聚变能源法案》 (msn.cn)9.《核聚变原理及前景展望》，郭鹏程、吴静、姚列明；电子科技大学物理学院；10.《激光惯性约束核聚变推进技术展望》，徐明毅；11.《原子核物理新进展》，马余刚；上海交通大学出版社。