中国混合堆设计：走在国际前列

　　就在21世纪快要来临的时刻，由国家支持，核工业西南物理研究院建造的中国环流器二号HL－2A已经接近于完工；同时，中科院等离子体物理研究所的世界第一座具有偏滤器的超导磁体托卡马克装置HT－7U正在设计研制中。这是两个具有很好互补性的新托卡马克装置，预计建造成功后，将大大加快中国受控磁约束核聚变研究进程。专家普遍认为，“863”计划能源领域聚变—裂变混合堆课题的实施对这两项工程的推动作用功不可没。也许有人会问，这些研究到底能为我们带来什么？今年的冬天不好过20世纪最后两个月还没有过去，人们就已经认定，今年的冬天特别冷。因为石油价格在一年半的时间里涨了近3倍。尽管世行预测，明年全球经济受到的影响并不大，但我们不能不注意到，正当全球工业化浪潮吞噬着越来越多的油气田的时候，人们竟不愿把石油的“短缺”和资源越来越少联系起来，却宁愿相信石油商在囤积居奇，甚至德国政府迫于绿色组织的压力，还在8月宣布从此将“拒绝核能”。中国当然不能这样做！和世界能源2／3为石油的结构相反，中国油气资源很少，在90年代初就成了纯石油进口大国。没油可以烧煤。但能源结构占近8成的煤也并没有使我们因祸得福，每个冬天都不好过，燃煤污染已经到了不治理 就要危及子孙后代的地步。当然我们还可以使用核能。由于种种原因，中国民用核电晚起步了20年。好在我们已经在弥补，并且可能进入一个核电高速发展期。可是又一个问题摆在面前，可裂变的铀资源我们也很有限。这该怎么办？这并非杞人忧天。老百姓可以只关心今年明年，政府不行！政府制定经济发展计划要管5年10年，而制定战略发展计划就必须跨越30年50年，并且还要给出一个解决未来问题的正确导向。当然这需要众多科学家的参予。有人说，三五十年太长了。其实不然，就像改革开放这20年，每个人都觉得不过是弹指一挥间。“863”代表国家科技走向如果从长远考虑，核聚变才能为人类提供最理想、足以满足几十亿年需求的清洁能源。所谓聚变，就是将轻核元素氘氚放到一块，产生聚变反应，释放出巨大的能量。太阳的能量就来自轻核聚变反应。据了解，1升海水含有0．03克氘，通过聚变反应可释放出相当于300多升汽油的能量。那么，地球的水中含有的约40万亿吨氘能释放出多少能量？但是实验证明，在地球上实现轻核聚变反应要有相当苛刻的条件，其研发被认为是人类科学史上最具挑战性的特大课题。别以为这只是烧钱的事，几个核大国在50年代用“磁镜”、“仿星器”的办法好像找到了实现磁约束聚变的途径，以为再过二三 十年就能应用，可实际上却步履维艰。直到60年代苏联发明环形磁场的“托卡马克”，才使聚变研究进入到各国科学家合力推动的快速发展期，即，从科学试验阶段进入到目前的发展实用的聚变堆阶段。尽管如此，国际聚变界仍然认为离实用还需要相当的时间跨度。困难比“两弹一星”还大，中国该不该做？这个问题其实早在1956年制定的“12年科学规划”中就决定了。在那以后的20多年中，核工业西南物理研究院以及后来成立的中科院等离子体物理所等有关院校的科技人员根据中央指示，在“搬迁三线”、“文革”和“拨乱反正”中，克服了令今人无法想象的困难，组建了国内聚变队伍，开始进行研究。比如当时遭到“四面封杀”中国不能生产所需的矽钢片，他们就到钢厂和工人、技术人员三结合，反复实验，熬过了500多个日日夜夜，炼出了符合要求的矽钢片。1984年，我国第一台托卡马克受控核聚变试验装置———中国环流器一号HL－1终于建成。它使我国成为继美、苏、日和西欧一些国家之后，能成功研制中型受控核聚变试验装置的唯一发展中国家。然而此时此刻，能不能继续做下去的问题悄然冒出。80年代，改革开放使国内经济体制、科技体制开始发生重大变化。亲眼目睹着与发达国家在工业水平、科技水平上的巨大差距，感受着科技 必须走进国民经济主战场的巨大压力，像聚变研究这种为了解决未来能源的工作到底怎么办？所有聚变科研人员及其上级主管部门都对国家的科技走向予以了密切关注。1986年，中国高技术研究发展计划（“863”计划）正式出台，经过原国家科委和科学家的反复遴选，“聚变－裂变混合堆”项目列入“863”计划。所谓混合堆是指，目前世界上应用的核能都由核裂变反应提供，核电站采用的热中子反应堆仅能利用占铀元素0．07％的铀－235，含量占99％以上的铀－238基本不能被利用。如果仅仅利用前者，地球上现有的核资源将很快耗尽，而如果利用聚变反应堆芯部产生的高能聚变中子，在聚变堆包层中使含有可裂变物质吸收中子后转换成易裂变材料，或嬗变处置长寿命放射性核废物并获取核能的装置，就称为聚变－裂变混合堆。混合堆是一种比建造纯聚变堆要易于实现，而且能够充分利用核资源的核能装置。换句话说，混合堆的实际应用既可以比纯聚变堆至少提前15－20年，发电成本也可望相当于目前普遍使用的裂变堆。“863”代表了中国政府对科技发展的战略性思考，混合堆课题的入围不仅在国内核科学界引起巨大反响，稳定了聚变科研队伍，而且在国外也引起极大关注。

　　在“863”计划鼎力支持下，分属于各部门的我国科技人员凝成一股合力，在混合堆技术实验研究上不断取得重要的阶段性成果：“七五”期间完成了实验混合堆TETB、TETB－Ⅱ，商用混合堆TCB等一系列概念设计和改进设计；“八五”期间集中力量进行了试验型混合堆设计（FEB）。1991年4月，江泽民总书记参观了中国环流一号试验装置并亲笔题词，“开发核聚变能源，造福子孙后代”。后来，核工业西南物理研究院在这台基础上，改进成为中国环流新一号（HL－1M）。在这个装置上，实现了国内第一个等离子体电流超过300千安，等离子体存在时间达到4．0秒的中型托卡马克实验。中科院等离子体所的HT－7装置达到了等离子体电流245千安、等离子体放电持续时间10．71秒。这些实验成果均已达到国际同规模装置的先进水平。“九五”期间顺利开展了混合堆工程概要设计研究（FEB－E）以及嬗变堆的研究。其中，混合堆研究使用了先进的设计方法，计算机软件和核数据库居国际先进水平；聚变堆材料与工艺方面也有了重大突破，我国1997年加入了IEA聚变材料实施协议，这是一个政府间的协议，为聚变材料研究的进一步发展创造了良好条件；经过三个五年计划的工作，我国逐步形成了一支有着丰富研究经验，得到国际聚变界承认的混合 堆研究队伍。中国聚变队伍：国际聚变界重要的一员90年代末期，国内关于托卡马克的传说四起。情节是，美国认为托卡马克没希望，不搞了；俄罗斯搞不起把设备卖给了中国，中国花巨资买了一堆破烂儿。其实这不是真实情况。自80年代起，美国每年就投入一定的资金（约数亿美元）进行聚变研究。90年代后期，要求追加经费的议案未能获得通过，主要原因和现在对待基因研究的态度一样，美国纳税人又想得到好处又不想花钱。俄罗斯无力研究则属真实。中国以易货方式得到T－7，这台装置后来在中科院合肥等离子体所经过改建，可以进行超导磁体的托卡马克试验，使我国成为继法、日、俄之后，第四个具有超导磁体托卡马克装置的国家。

　　之后，由于德国斥巨资再建一个更大型的装置，经过对俄罗斯、加拿大、中国的考察，将原有的托卡马克装置主机无偿赠送给了西南物理研究院。我国科学家根据我国聚变研究的实际需要，利用这个装置的关键部件，建造我国的下一代聚变装置HL－2A。我们本来有能力自己干，但得花9位数字的钱。重要的原因还不在这儿。众所周知，人类的良知，特别是冷战的结束促成了国际间重大科技项目的合作。若干个国家分摊费用合作进行研究然后成果共享的形式成为当今世界潮流。当然这里有一个前提条件，即合作国家的任一方都得具有一定实力。“863”计划的实施推动了中国核聚变的研究，使其具备了与国外相当的水平。在国际合作中，混合堆课题先后邀请了美、日、俄、德等知名专家、学者参加我国的混合堆研究与交流，并建立了长期的合作关系。国外同行不仅对中国以及合作研究的成果给予了高度评价，而且还给予了一些实际的支持。中国的核聚变科技人员更是设身处地的为国家着想，在添置、建造设备时更是想着为国家节省每一分钱，所以那是个不真实的“传说”。