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國(guó)際核聚變研究現(xiàn)狀和發(fā)展態(tài)勢(shì)——國(guó)際科學(xué)技術(shù)前沿報(bào)告2018之六

 掃地僧一一 2019-01-23

作者:

吳勘  郭楷模  趙晏強(qiáng)  陳偉

(中國(guó)科學(xué)院武漢文獻(xiàn)情報(bào)中心)

2018年12月,由中國(guó)科學(xué)院文獻(xiàn)情報(bào)中心系統(tǒng)國(guó)際科學(xué)技術(shù)前沿報(bào)告研究組完成、張志強(qiáng)研究員任研究組組長(zhǎng)和主編的《國(guó)際科學(xué)技術(shù)前沿報(bào)告2018》已由科學(xué)出版社正式出版、公開發(fā)行。


《國(guó)際科學(xué)技術(shù)前沿報(bào)告2018》從主要科技領(lǐng)域中選擇科學(xué)與工程計(jì)算、引力波研究、虛擬現(xiàn)實(shí)研究、石墨烯防腐涂料、磁約束核聚變、生物成像技術(shù)、人類微生物組、作物病蟲害導(dǎo)向性防控、地球深部金屬礦資源探測(cè)、第三極環(huán)境研究等10個(gè)科技前沿領(lǐng)域或熱點(diǎn)前沿問題,以專業(yè)型、計(jì)算型、戰(zhàn)略型、政策型和方法型“五型融合”的科技戰(zhàn)略研究新范式,逐一對(duì)其進(jìn)行國(guó)際研究發(fā)展態(tài)勢(shì)的全面系統(tǒng)分析,剖析其國(guó)際整體進(jìn)展?fàn)顩r、研究動(dòng)態(tài)與發(fā)展趨勢(shì)、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)發(fā)展態(tài)勢(shì),并提出我國(guó)開展這些科技前沿領(lǐng)域或熱點(diǎn)問題研究的對(duì)策建議,為我國(guó)這些領(lǐng)域科技創(chuàng)新發(fā)展的科技布局和研究決策等提供重要的咨詢依據(jù),為有關(guān)科研機(jī)構(gòu)開展這些科技前沿領(lǐng)域或熱點(diǎn)問題的研究部署提供國(guó)際相關(guān)領(lǐng)域科技發(fā)展的重要參考背景。



由于單篇報(bào)告篇幅較長(zhǎng),我們特約報(bào)告撰寫團(tuán)隊(duì),凝練報(bào)告精華,推出《國(guó)際科學(xué)技術(shù)前沿報(bào)告2018》系列報(bào)告之六:《國(guó)際核聚變研究現(xiàn)狀和發(fā)展態(tài)勢(shì)》。今天推出的是此報(bào)告的第三部分。


國(guó)際核聚變研究現(xiàn)狀和發(fā)展態(tài)勢(shì)


核聚變能被視為是人類可持續(xù)發(fā)展最理想的未來能源,受控核聚變研究的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)聚變能的商業(yè)化應(yīng)用。


經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的不懈努力,世界各國(guó)已在磁約束核聚變理論方法、關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)驗(yàn)裝置(如托卡馬克和仿星器等)上取得了突破性進(jìn)展,托卡馬克裝置實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)并作為受控磁約束核聚變反應(yīng)堆的科學(xué)可行性已經(jīng)得到初步驗(yàn)證,成為未來實(shí)現(xiàn)受控核聚變能的主要研究途徑之一。


目前,包括中國(guó)在內(nèi)的七個(gè)世界主要聚變研究國(guó)家和地區(qū)正投入巨大財(cái)力、人力,聯(lián)合建造世界上規(guī)模僅次于國(guó)際空間站的大科學(xué)工程計(jì)劃——托卡馬克類型的國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER),努力解決與托卡馬克聚變反應(yīng)堆工程可行性和商用可行性密切相關(guān)的穩(wěn)態(tài)先進(jìn)托卡馬克運(yùn)行模式及燃燒等離子體物理這兩大科學(xué)問題。


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磁約束核聚變最新研究進(jìn)展


 2017 年以來,磁約束核聚變研究在理論研究、材料開發(fā)及實(shí)驗(yàn)和制造工藝上均已經(jīng)取得多項(xiàng)重要成果:


在聚變理論研究上,美國(guó)麻省理工學(xué)院等離子體科學(xué)與聚變中心(Plasma Science Fusion Center,PSFC)研究人員于8月2日被授予美國(guó)物理學(xué)會(huì)的約翰道森獎(jiǎng),其在等離子體物理研究方面開創(chuàng)性地使用質(zhì)子射線照相法揭示了高能量密度(High-Energy Detector,HED)等離子體的流動(dòng)性以及不穩(wěn)定性。三名研究人員利用激光能量學(xué)實(shí)驗(yàn)室的激光設(shè)備和勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的國(guó)家點(diǎn)火裝置,研究了慣性約束聚變等離子體和HED等離子體的物理學(xué)原理。


由于這些等離子體在相當(dāng)短的時(shí)間尺度上發(fā)生,所以其評(píng)估極具挑戰(zhàn)性。為了幫助探測(cè)和檢查這些等離子體的狀況、演變以及其他現(xiàn)象,PSFC團(tuán)隊(duì)開發(fā)了多重單能量粒子源(Multiple-Monoenergetic-Particle Source,MMPS)。


MMPS是一種背光源,能夠進(jìn)行輻射實(shí)驗(yàn)以便更好地了解等離子體的結(jié)構(gòu)和進(jìn)化。這對(duì)于觀察發(fā)生在大約1ns(1ns=10?9s)左右的等離子體行為特別適用。


與此同時(shí),普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室于8月18日宣布,其研究人員在國(guó)家球形托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置(NSTX-U)上發(fā)現(xiàn)了一種非常簡(jiǎn)單快捷的方式來抑制可能停止聚變反應(yīng)并損壞反應(yīng)堆壁的不穩(wěn)定性問題。被抑制的不穩(wěn)定性被稱為全域阿爾芬本征模式(Global Alfense Eigen mode,GAE),是一種常見的湍流擾動(dòng)模式,可能導(dǎo)致聚變反應(yīng)失敗。


NSTX-U最近安裝了第二臺(tái)中性射束注入器以產(chǎn)生高能粒子來抑制GAE。激發(fā)GAE的是同樣的中性粒子束,這些粒子通過加熱等離子體將其電離成電子和離子或原子核。一旦由這些快速離子觸發(fā),GAEs就可以啟動(dòng)并驅(qū)動(dòng)這些快離子,從而冷卻等離子體并停止聚變反應(yīng)。第二個(gè)注入器的中性束能夠以更高的俯仰角流過等離子體,其方向與約束等離子體的磁場(chǎng)大致平行。注入的外部束流可在毫秒量級(jí)時(shí)間尺度抑制GAE。


來自中性束的快速離子與裝置內(nèi)部的離子結(jié)合以增加離子的密度,并改變其在等離子體中的分布。這一突然的改變降低了離子密度的梯度或斜率,沒有這些梯度或斜率就無法形成與傳播GAEs。


這一結(jié)果同時(shí)驗(yàn)證了由物理學(xué)家Elena Belova開發(fā)的計(jì)算機(jī)代碼“HYM”的預(yù)測(cè),并可能對(duì)建造ITER有用,以證明控制燃燒等離子體的能力,并產(chǎn)生比它消耗的能量多10倍的能量。研究表明,只有少量具有足夠能量的粒子能夠抑制GAEs。通過使用該代碼,可以對(duì)ITER的GAE穩(wěn)定性進(jìn)行合理的預(yù)測(cè)。


在聚變材料開發(fā)上,普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室研究人員于7月5日宣布,采用輕質(zhì)銀色金屬鋰涂層的托卡馬克第一壁,能夠提高裝置壁材料承受核聚變反應(yīng)時(shí)的高能粒子轟擊的能力,并且改善等離子體的約束。


其采用的鋰超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置(Lithium Tokamak Experiment,LTX)是用液態(tài)鋰完全包圍等離子體的首個(gè)裝置,實(shí)驗(yàn)表明鋰涂層可以使等離子體芯部到邊界的溫度分布保持不變。研究結(jié)果證實(shí)了之前的預(yù)測(cè):在邊緣溫度高、幾乎恒定的溫度分布情況下,冷卻氣體經(jīng)過等離子體的邊緣回到托卡馬克壁表面,主要是由于鋰的特性能夠降低邊界的再循環(huán)。


在聚變工程和物理實(shí)驗(yàn)研究方面,中國(guó)全超導(dǎo)托卡馬克EAST在7月3日實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的101.2秒穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)脈沖高約束等離子體運(yùn)行,創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。


這標(biāo)志著EAST成為了世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式運(yùn)行持續(xù)時(shí)間達(dá)到百秒量級(jí)的托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。這一里程碑式的重要突破,表明我國(guó)磁約束聚變研究在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的物理和工程方面,將繼續(xù)引領(lǐng)國(guó)際前沿,對(duì)ITER和未來中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆(China Fusion Engineering Testing Reactor,CFETR)建設(shè)和運(yùn)行具有重大的科學(xué)意義。


7月26日,由中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所承擔(dān)研制的ITER計(jì)劃首個(gè)超導(dǎo)磁體系統(tǒng)部件——饋線(FEEDER)采購(gòu)包PF4過渡饋線正式完成,在高溫超導(dǎo)電流引線、超導(dǎo)接頭、低溫絕熱、低溫高壓絕緣等核心技術(shù)方面取得了諸多國(guó)際領(lǐng)先成果。其研發(fā)的萬安級(jí)高溫超導(dǎo)電流引線,集高載流能力、低冷量消耗和長(zhǎng)失冷安全時(shí)間三方面優(yōu)勢(shì)于一體,替代了原ITER銅電流引線設(shè)計(jì),大大降低了ITER的運(yùn)行成本和低溫系統(tǒng)的建造投入。


另外,研發(fā)的68kA級(jí)高溫超導(dǎo)電流引線更是創(chuàng)造了在85kA下運(yùn)行1小時(shí),90kA下運(yùn)行4分鐘的世界紀(jì)錄;研發(fā)的盒式高載流低損耗超導(dǎo)接頭,接頭電阻達(dá)到0.2納歐的世界領(lǐng)先水平,可以保障ITER裝置主機(jī)的安全運(yùn)行。9月12日,美國(guó)通用原子公司在圣地亞哥DIII-D國(guó)家聚變裝置進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中外推得到,對(duì)ITER級(jí)別的等離子體,當(dāng)被用于模擬阿爾法粒子和高能粒子束的氘離子激發(fā)多個(gè)阿爾芬波時(shí),將會(huì)損失高達(dá)40%的高能粒子。根據(jù)研究結(jié)果,普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室物理學(xué)家在DIII-D托卡馬克建立了這些阿爾芬波對(duì)高能氘束影響的定量準(zhǔn)確模型。他們使用NOVA和ORBIT的模擬代碼來預(yù)測(cè)哪些阿爾芬波將被激發(fā),以及它們對(duì)高能粒子的影響。其證實(shí)了NOVA模擬預(yù)測(cè),在DIII-D實(shí)驗(yàn)中,超過10個(gè)不穩(wěn)定的阿爾芬波可以被氘束激發(fā)。


此外,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的測(cè)量一致,建模預(yù)測(cè)高達(dá)40%的能量粒子將會(huì)損失掉。該模型首次在這種高性能等離子體中證明,可以預(yù)測(cè)多個(gè)阿爾芬波對(duì)DIII-D托卡馬克的能量粒子的約束作用。DIII-D裝置的新升級(jí)將有助于探索改善等離子體約束的條件,并提出了新的實(shí)驗(yàn)達(dá)到理論預(yù)測(cè)的條件,以減少高能粒子的損失。


本報(bào)告分析了全球核聚變研究的科學(xué)引文索引(SCI)論文,從文獻(xiàn)計(jì)量角度揭示出聚變領(lǐng)域的主要國(guó)家、研究機(jī)構(gòu)和科研人員特征。


該領(lǐng)域 2007~2016 年每年發(fā)文量均在2000 篇以上,參與國(guó)家、研究機(jī)構(gòu)眾多。美國(guó)在聚變等離子體物理領(lǐng)域的發(fā)文量、總被引次數(shù)和 H 指數(shù)均位列全球第 1 位,且大幅領(lǐng)先于排在第 2 位的德國(guó)及其他國(guó)家,我國(guó)發(fā)文量位列第 3 位。從發(fā)文時(shí)序看,我國(guó)在 2007~2016 年的論文快速增長(zhǎng),年度發(fā)文量在 2015 年接近美國(guó),并在 2016 年超過美國(guó)。


從趨勢(shì)變化來看,我國(guó)在核聚變研究的發(fā)文量仍將保持快速增長(zhǎng)趨勢(shì)。 中國(guó)科學(xué)院整體在該領(lǐng)域的發(fā)文量位列第 2 位,但論文影響力離頂尖研究機(jī)構(gòu)還有很大差距,下屬研究機(jī)構(gòu)中發(fā)文量最多的是合肥物質(zhì)科學(xué)研究院和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)。



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