罗德隆:国际热核聚变研究的中国力量

2011-6-16 13:33 来源: 科技日报
990 收藏到BLOG
耗资100多亿欧元,吸引世界顶尖科学家参加,参与各方人口总和超过全球人口的一半……在这个本世纪最为雄心勃勃的能源科技合作项目——国际热核聚变实验堆(ITER)计划中,中国正扮演着重要的角色。
 
今年秋天,由我国承担的ITER计划任务中的首个导体采购包可望出关,运往目的地。“我们对其质量、性能有信心。”中国国际核聚变能源计划执行中心副主任罗德隆表示,在ITER计划中,中国研制的ITER超导导体、屏蔽包层等部件的性能在参与7方中处于领先地位,部分采购包进展处于前列。
 
ITER计划最新进展怎样?中国承担项目完成进度如何?我国培养核聚变人才将如何发力?日前,中国国际核聚变能源计划执行中心副主任罗德隆接受科技日报记者专访,解答了相关热点问题。
 
“中方承担采购包基本涵盖了ITER核心部件,工作进展顺利”
 
科技日报:听说您刚参加了在法国总部召开的ITER组织理事会管理咨询委员会,能否介绍一下ITER计划项目工程的最新进展。
 
罗德隆:ITER计划自2007年正式进入装置建造阶段,已实施4年多,预计2019年底实现第一等离子体放电,这是建设阶段的标志性时间节点,大家正朝着这个目标积极努力争取。日本承担了ITER计划中16%的制造任务,地震对日本生产制造能力造成严重破坏。目前,ITER国际组织召集各方专家成立专门工作组,全面评估日本地震对总进度特别是实现第一等离子体放电时间的影响,及弥补措施。如果拖延生产的部件不是在关键路径上,造成的影响就不大。
 
科技日报:中国在ITER计划承担的项目进展如何?
 
罗德隆:按照ITER谈判结果,我方承诺承担的12个采购包制造任务(即实物贡献),约占建造阶段我国总贡献的80%。中国在整个计划中进度很好,虽然我国承担的采购包还没出关,但目前检测性能不错,我有信心能按预定时间和目标交货。
 
科技日报:我国主要承担了哪些项目?参与建造的是ITER的核心部分吗?
 
罗德隆:虽然ITER装置建造在法国,但每个成员国是在各自国家制造零部件,部件分配方案在谈判时就已经定下来。谈判是个复杂的过程,每个国家都想做核心部件,因为这需要诀窍,如果现在没做过,以后可能也做不出来。
 
我国承担的12个采购包基本涵盖了ITER核心关键部件,涉及环向场线圈导体、极向场线圈导体、校正场线圈、磁体支撑以及磁体馈线和校正场线圈导体等。当然,这不是说我们把ITER关键部件全做了,而是只做一部分,好比做车轮,会做一个,其余3个也没问题。总体来说,在采购分配方面,我方承担的采购包任务有利于集中人力、物力、财力掌握ITER计划的核心技术,有利于提高我国超导技术、稀有金属材料技术、高温高电压技术等众多领域的研究开发和制造能力。
 
“我国能够以10%的投入,享受100%的知识产权”
 
科技日报:ITER计划也是我国迄今为止参加的规模最大的大科学工程国际合作项目。任何大科学工程就像其他科学课题一样,有风险,也有机遇,如何衡量和看待这种选择?
 
罗德隆:首先,ITER计划无法通过一个国家研发制造完成。核聚变是两个轻核(一般是氢的同位素:氘[D]和氚[T])聚合成一个较重的原子核,同时释放出巨大能量的过程。早在上世纪50年代初人类就实现了聚变核反应——氢弹的爆炸,但要利用聚变时释放出的巨大能量,必须对剧烈的聚变核反应加以控制,这就是受控核聚变。在研究初期,科学家们认为受控热核聚变的成功,会像氢弹一样,指日可待。但经过几十年的努力,受控热核聚变还未能实现。
 
ITER计划的目的是建造一个聚变实验堆,探索和平利用聚变能发电的科学和工程技术可行性,为实现聚变能商业应用奠定基础。ITER不是直接商业应用的装置,而是科研实验装置,通过国际合作可以分担科研的风险,也可共同分享成果。
 
ITER计划早期被称为“强国俱乐部”,它是1985年由美苏两国首脑倡议提出,由美、苏、欧、日共同启动。1998年,美国退出ITER计划。我国从2003年正式加入ITER计划谈判。同期,美国重返ITER计划。直到2007年,由中、欧、日、韩、俄、美6方组成的ITER国际组织正式成立(印度后来加入)。我国贡献比例约10%,其中约80%以实物方式(即制造、提供ITER装置部件)投入,约20%以现金方式投入。
 
ITER装置不仅反映了国际聚变能研究的最新成果,而且综合了当今世界相关领域的顶尖技术。参加ITER计划,是我国核聚变能发展前所未有的机遇,符合我国未来发展的能源战略,标志我国进入世界核聚变能源研究的先进行列。
 
科技日报:虽然“风险共担”,但参与国都希望从中得到回报。中国在ITER计划建设中的投入占总额的10%,这种投入,会有什么回报?
 
罗德隆:在知识产权方面,中国通过参与该项目,有权使用ITER计划工程设计阶段的技术成果,对ITER计划实施中产生的知识产权,平等享有获得许可使用的权利。简单地说,就是能够以10%的投入,享受100%的知识产权。最关键的是,我们将培养、锻炼一批能够掌握和利用这些知识产权的科学研究和工程技术人才,为我国未来自主开展核聚变示范堆乃至商用堆设计、建造奠定基础。
 
“聚变能商业化将在本世纪中叶或者稍晚实现”
 
科技日报:能具体描述一下,ITER是个什么样的装置?
 
罗德隆:ITER设计总聚变功率将达到50万千瓦,是一个电站规模的实验反应堆。其作用和任务是,用具有电站规模的实验堆证明氘氚等离子体的受控点火和持续燃烧,验证聚变反应堆系统的工程可行性,综合测试聚变发电所需的高热流与核部件,实现稳态运行。
 
ITER场址设在法国南部埃克斯以北的卡达哈什。2008年,ITER装置进入实地建造阶段。它占地180公顷,共由39栋建筑组成,实验堆主体直径28米,高30米,聚变功率相当于50万千瓦电站的核反应堆。按当前计划,ITER装置预计 2019年基本建成,预计2027年开展氘氚聚变实验。
 
科技日报:请展望一下ITER的商用前景。有具体时间表吗?
 
罗德隆:ITER计划将用35年时间,建造、运行一个可持续燃烧的托卡马克型聚变实验堆,以验证聚变反应堆的工程技术可行性。
 
托卡马克是俄语环向场磁体线圈的简称,是核聚变物理实验装置,其原理是利用环向磁场对高温等离子体进行约束,进而实现可控核聚变。ITER从1988年开始概念设计到2001年完成《工程设计最终报告》,就历时13年之久。
 
ITER计划建造制造阶段10年左右,预计2019年建设工程完成,实现第一等离子体放电;ITER运行与开发利用阶段20年左右,2027年,科研人员进入,进行氘氚试验;去活化阶段预计需要5年时间,最后是退役阶段,交给东道国法国实现装置退役。
 
国际核聚变界对ITER计划及其后聚变能源发展比较普遍的看法是,建造和运行ITER的科学和工程技术基础已经具备;再经过示范堆、商业聚变核电站(商用堆)两个阶段,聚变能商业化将在本世纪中叶或者稍晚实现。
 
ITER建设有可以预见的困难。如核聚变能源首先必须产生高达上亿度的高温等离子体;其次,还要形成充分的约束,将高温等离子体维持相对足够长的时间,以便充分发生聚变反应,释放出足够多的能量等。这些可预见的障碍我们有信心克服,但可能还会遇到未知的困难。ITER现在是实验堆,下一步是建示范堆,还要解决材料、造价等一系列技术和经济问题。
“通过ITER计划的带动,我国在核聚变领域水平整体提升”
 
科技日报:作为发展中国家,中国是最早关注受控热核聚变研究的国家之一,但与世界最高水平还有差距,通过参与ITER计划,我国取得了哪些进展?目前在核聚变领域究竟处于什么水平?
 
罗德隆:其实,从上世纪70年代开始,我国就集中以托卡马克为主要研究途径,先后建成一系列中小型装置,并且开展多项研究。上世纪90年代,我国开始实施大中型托卡马克发展计划,探索先进托卡马克运行模式及稳态控制模式,先后建成HT-7中型超导托卡马克、HL-2A大中型常规导体托卡马克。2006年建成的大型非圆截面全超导托卡马克EAST装置,具有稳态、大拉长比及多项实验手段等特点,可以为正在建造的ITER装置开展多种前期实验研究。
 
虽然我国有很多托卡马克装置,但ITER装置不是简单放大,而是需要我们从整体设计、技术和材料等各个方面,解决全新的关键问题。近几年来我国得益于ITER计划,核聚变水平提升很快,在国际上整体处于中等水平。日、美、欧盟还是走在前列,各国都在积极发展聚变研究,韩国进步也很快。
 
目前,我国建成世界首个全超导托卡马克EAST,已经实现100秒的偏滤器放电和长时间的高约束放电,工程和试验水平进入国际前列。HL-2A最高电子温度达5500万摄氏度,进入国际先进水平。
 
中国研制的ITER超导导体、屏蔽包层等部件的性能在7方处于领先地位,部分采购包进展处于前列。
 
科技日报:参加ITER计划只是我国整体聚变能研发计划中的一个重要组成部分,我们通过国际合作能否形成自己的能力?
 
罗德隆:我国承担的ITER部件很多都是过去没有生产的,如导体、屏蔽包层、大型电源、充气清洗及辉光放电系统等。前期大部分技术需要艰难的摸索。通过国际大科学工程的带动,我国技术明显提升,从“不会做”到“会做”甚至“做得更好”。
 
科技日报:是一种从无到有、从有到强的技术跨越?
 
罗德隆:对。比如说,我们过去做不出导体,开始做的时候觉得制造不锈钢管没有问题,就集中精力去研究如何把几千根丝做成0.8毫米直径的导线。线做好了,却发现管子不行,按照ITER国际组织的要求,管子的断裂延伸率需要达到20,而我们只做到15。后来,通过召开专家会反复研讨,我们不仅做成了,而且能批量生产,现在生产出的管子断裂延伸率达到30。从目前来看,我们生产的导体样品测试指标都达到ITER装置的要求,部分指标还远高于要求。
 
“ITER只是契机,关键是要使我国具备自主设计、建造聚变示范堆的能力”
 
科技日报:现阶段ITER计划解决的是工程建设问题,那建成后下一步我们的科研和实验能力如何提高呢?
 
罗德隆:搞建设不是目的,目的是在建成的实验堆上做实验。我国建设了很多磁约束核聚变装置,一方面服务于ITER建设,另一方面也是为今后实验做准备,从而解决商业的工程和科学的瓶颈。因此,必须对现有装置升级扩建,加快平台建设,以提高实验能力。
 
我们要以参加ITER计划为契机,为我国具备自主设计、建造聚变示范堆的能力。ITER 计划专项国内配套研究也于2008年启动。到目前已经批准立项32个研究项目,研究内容涉及聚变堆的概念设计、波加热、聚变材料、测试包层模块、混合堆概念设计以及相关等离子体理论和实验研究等众多研究领域。
 
今年,我国还成立了磁约束聚变堆总体设计组,就是为全面消化吸收ITER设计技术,掌握聚变堆相关的物理和工程设计及关键技术,开展我国磁约束聚变堆总体设计研究。
 
“ITER组织中方派驻职员只占5%,培养聚变人才迫在眉睫”
 
科技日报:我国在ITER的投入是10%,目前,向ITER组织派出的中方人员达到相应的比例了吗?
 
罗德隆:人才国际化水平是我们现在面临的巨大挑战。现在中方在ITER职工总共20个人,所占比例才占5%,总数最少。现在向ITER组织是派不出人来,这也是我的心病。我们计划每年资助优秀人才,作为访问学者,去到ITER组织学习。
 
科技日报:国内已有的磁约束聚变研究工程技术人才数量相当有限,除了派驻国际组织,还要保证国内研究任务的需要,国内人才培养有什么考虑?
 
罗德隆:目前,我国已有超过1000人从事聚变研究,但远远不能满足需求。估算国内整个未来20年人才缺口4000人,可现在没有增量。
 
前不久,科技部联合教育部、中科院,中核集团专门召开核聚变能发展研究人才工作会议,并联合制定了《关于促进磁约束核聚变人才培养工作的指导意见》。意见提出,紧紧围绕我国磁约束核聚变能研究和ITER装置建设和运行,以需求为导向,逐步构建起一个层次、布局、学科合理的磁约束核聚变科学与工程研究和技术研发的人才培养体系,利用10年左右时间,培养2000名从事聚变科学与工程研究以及技术研发的各类人才。专门为一个领域人才培养开会,这还没有先例。
 
除了学校增设核聚变学科、核学院之外,国内ITER配套计划也针对人才培养,面向研究生安排了课题,这也是为未来人才储备播撒种子。
 
科技日报:我国在ITER计划中取得哪些体制机制的国际经验?
 
罗德隆:从项目管理角度来说,ITER计划是个工程项目,目标是建成实验室,它用最先进的管理理念和质保体系,通过一套成熟的管理技术和机制,对建设过程中的各个节点全盘考虑,精确控制,并将每个环节处于严密监控之下。同时,参与建设一个全新的国际组织,也为以后在我国建立国际组织积累了经验。