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1、1中 方 首 席 科 学 家 谈 人 类 开 发 新 能 源 的 宏 伟 计 划2010年 06月 23日 17:08来源：中国科学院 0人参与 0 0条评论 0 嘉宾：霍裕平院士策划：李存富 中国科学院网站总编主持人：潘锋 科学时报主任记者嘉宾简介：物理学家。湖北黄冈人。1959 年毕业于北京大学物理系。郑州大学教授。长期从事理论物理研究工作，重要论文有稀土离子对铁磁共振的影响、用光学方法实现一般线性变换、等离子体的静态稳定性等，并发表专著非平衡态统计物理。自 1982年起，任中国科学院等离子体物理研究所所长与合肥分院院长，长期领导中科院核聚变研究工作，并参与领导国家的核聚变研究。领导和组织
2、了我国大型超导托克马克 HT-7的建设，并是国家重大科学工程 HT-7U计划的主要建议者。国家“973”计划专家顾问组成员，ITER计划中国专家委员会首席科学家。1993 年当选为中国科学院院士。主持人：11 月 21日,参加国际热核聚变实验反应堆计划（简称国际热核计划，英文缩写 ITER）的欧盟、中国、美国、日本、韩国、俄罗斯和印度的 7方代表,在法国总统府正式签署了联合实验协定及相关文件，全面启动了世界瞩目的人类开发新能源的宏伟计划。国际热核聚变实验反应堆计划由占世界人口一半左右的 7个伙伴决定联合起来，组成一个伟大的科学团队，是人类历史上的一个创举。今天，我们十分高兴地请来了中国科学院院
3、士、郑州大学霍裕平教授为我们介绍一下国际热核聚变实验反应堆计划的基本情况，和我国参加这一大的国际科学工程的意义。霍裕平院士现在是国际热核聚变实验反应堆计划中国专家委员会首席科学家。主持人：您好：霍裕平院士。不久前，我国与其它六国在法国签署了国际热核聚变实验反应堆计划联合实验协定及相关文件，全面启动了世界瞩目的人类开发新能源的宏伟计划。请您简单介绍一下当时的情况。嘉宾：我很有幸能够参加这样一个重大的国际科学合作协议的签字仪式。ITER 计划在人类科学发展史上，特别是核能的和平利用上有着非常重要的意义，这也是国际上首个由七个国家或组织以平等的身份共同组织实施的一个大科学计划，其目标是为了彻底地解决
4、人类能源的需求。ITER 计划得到了七个成员国政府首脑的关心和支持，中国国家主席胡锦涛同志曾多次对我国参加该计划给予指示，而美国布什总统则亲自宣布美国参加 ITER计划，出席签字仪式的基本上是各个国家科技主管部门的负责人。签字仪式是在法国巴黎爱丽舍宫举行的，法国总统希拉克亲自主持了仪式并致开幕词。中国科技部部长徐冠华同志在签字仪式上第一个被邀请发言，徐冠华部长在发言中就中国为什么参加 ITER计划，以及我国未来科技发展规划和政策等发表了演讲，他的演讲受到与会来宾的热烈欢迎。演讲结束后，希拉克总统还专门就中国重视科学和技术的发展发表了热情洋溢的讲话，这一点我的印象是非常深的。说明我们国家现在在世
5、界上，特别是在国际科技界地位正在提高，中国参加 ITER计划也正是说明了这一点。主持人：多国合作联合实施 ITER计划的目的是什么？嘉宾：ITER 计划是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一。 ITER计划的实施结果将决定人类能否迅速地、大规模地使用聚变能，从而可能影响人类从根本上解决能源问题的进程。在全世界都对人类能源、环境、资源前景等问题予以高度关注的今天，各国坚持协商、合作的精神，搁置诸多的矛盾和利害冲突，最终达成了各方都能接受的协议，并开始合力建设世界上第一座聚变实验堆。我国是一个持续高速发展的发展中大国，能源问题日益突出，因而长期以来对有可能彻底解决能源问题的核聚变能研
6、究作了力所能及的安排，对国际上有关 ITER计划的讨论一直给予高度关注。简单地讲 ITER计划是要建一个聚变实验堆，而这个聚变实验堆的目标就是要检验将来和平利用聚变能的科学和工程的可行性，因此如果 ITER计划能够取得成功话，其意义在于不仅仅是建成了一个 ITER装置，更重要的是人们可以利用在 ITER取得的研究成果和经验，将有助于帮助我们建造一个用聚变发电的一个示范反应堆，示范堆的顺利运行将有可能使核聚变能商业化，因此 ITER计划是人类研究和利用聚变能的一个重要转折。应当看到，分享到： 更多 2ITER计划同样也存在一定的风险。正是因为如此，所以各个国家最后才以协商一致的方式决定共同承担风
7、险来开发这么一个宏大的科学计划。参加 ITER计划的七方里面有六方是国家，另一方是欧盟，欧盟代表了现在所有的欧盟的成员，还包括瑞士在里面；加上俄罗斯、中国、印度、美国、韩国、日本，总人口大约占世界的一半以上，并且是几乎囊括了所有的核大国。ITER 计划是一次人类共同的一个科学探险。ITER计划装置和它建成以后的实验的费用现在估计大概至少需要 100亿欧元以上，这不是一个小数字。各国共同出资参与 ITER计划，不仅是共同承担风险，而且也能更好地集中全世界在这方面最好的科学家和最好的工程师，并且在政治上体现了各国在开发未来能源上的坚定的立场。我举个例子，比如中国参加 ITER计划不仅体现了中国对未
8、来能源的关心，同时中国的参加也推动了美国的再参加，之后韩国、印度也陆续参加进来了，成为一个大的国际科学工程，集中了全球顶尖科学家的智慧，因此 ITER计划绝对不仅仅是大家共同出钱建一个装置的事情。嘉宾：国际热核聚变实验反应堆的原理类似太阳发光发热，即在上亿摄氏度的超高温条件下，利用氢的同位素氘、氚的聚变反应释放出核能。聚变能是人类最终解决能源问题的可能途径之一，当然也不是惟一的。裂变能也是解决人类能源的一个方面，也是今后的发展方向之一。但是裂变能主要是中子打在重核上面，像铀 235，或者是钋，使得这些重的原子核产生分裂，在分裂变的同时也放出能量，放出中子，这些中子再引起其他重原子核的分裂，这样
9、一个过程最典型的例子就原子弹。以裂变原理为基础的原子能反应堆和原子能电站近年来发展迅速，目前全世界发电量中大概有 20左右是核能，核能今后还会进一步发展，但也需要解决利用核能方面所遇到的科学问题。比如，高放射性核废料问题。裂变反应的产物像有些锕系元素是呈放射性的，有的寿命长到几百万年。目前对于裂变堆产生的高放射废料还没有很好的解决办法，放射性高放射废料的出现，是重要的一个问题，现在有人建议把它放到地下比较深的结实的岩层里面去，但是所有的天然岩层都是有裂缝的，安全性问题不容忽视。另外，如何保证充足的资源也是一个问题。现在的压水堆大概一个堆全寿命中需要大约一万吨铀资源，对资源的需求量都是将来要考虑
10、的一个问题。裂变能是重原子核在中子打击下分裂放出的。聚变则是两个轻原子核聚合反应放出核聚变能，也就是宇宙间所有恒星（包括太阳）释放光和热及氢弹的能源。人类已经能控制和利用核裂变能，但由于很难将两个带正电核的轻原子核靠近从而产生聚变反应，控制和利用核聚变能则需要历经长期的、非常艰苦的研发历程。在所有的核聚变反应中，氢的同位素-氘和氚的核聚变反应（即氢弹中的聚变反应）是相对比较易于实现的。氘氚核聚变反应也可以释放巨大能量。氘在海水中储量极为丰富，一公升海水里提取出的氘，在完全的聚变反应中可释放相当于燃烧 300公升汽油的能量；氚可在反应堆中通过锂再生，而锂在地壳和海水中都大量存在。氘氚反应的产物没
11、有放射性，中子对堆结构材料的活化也只产生少量较容易处理的短寿命放射性物质。聚变反应堆不产生污染环境的硫、氮氧化物，不释放温室效应气体。再考虑到聚变堆的固有安全性，可以说，聚变能是无污染、无长寿命放射性核废料、资源无限的理想能源。受控热核聚变能的大规模实现将从根本上解决人类社会的能源问题。以聚变原理制造的聚变反应堆其放射性是很弱的，如果用氚的话，氚的放射性寿命也是很短的，所以对于聚变反应堆来说没有高放射性核废料，也基本上没有爆炸的问题。另外氘和氚都可以从海水当中提取，取之不竭，燃料的来源是无穷尽的。主持人：在聚变反应研究过程中都需要解决哪些重要科学问题？嘉宾：从 20世纪 40年代末开始，美国、
12、苏联等就已经开始了聚变的研究。有了氢弹以后，人们就很想实现聚变能，开始很长一段时间里对于聚变能实现的难度，科学家和人类的认识是很不够的，积累投资了数百亿美元，但做出的很多承诺后来都没有实现。主要难题我想大概有下面几个。来源：中国科学院 0人参与 00条评论 0ITER总部所在地分享到： 更多 3第一个问题是，考虑到氘和氚原子核能产生聚变反应的条件，若要求氘、氚混合气体中能产生大量核聚变反应，则气体温度必须达到一亿度以上。在这样高的温度下，气体原子中带负电的电子和带正电的原子核已完全脱开，各自独立运动。这种完全由自由的带电粒子构成的高温气体被称为等离子体。因此，实现受控热核聚变首先需要解决的问题
13、是用什么方法及如何加热气体，使得等离子体温度能上升到百万度、千万度、上亿度。怎么把它加热到上亿度，是研究中碰到的第一个最大的问题。第二个问题是在几十万度、几百万度的高温条件下，怎么能够把这些等离子体约束在一个“笼子”里面，防止高温等离子体逃逸或飞散，让这些原子核能够充分的产生聚变反应。简单解释一下，聚变是把两个带电的原子核要碰到一起去，所以当把氘和氚的气体放在一起时，必须加热到一亿度以上的高温，才能产生显著的聚变反应，而不是通常所说的冷聚变，只产生少量的 1000个或 10000个中子的低能量。我们说的聚变能，应该能每秒产生 10的 20次方个中子，要产生这么多中子的聚变反应，需要氘和氚气体的
14、温度在一亿度以下，怎么把一亿度的高温气体约束起来，让它能够充分反应，这是聚变研究最困难的问题之一。具有闭合磁力线的磁场（因为带电粒子只能沿磁力线运动）是一种最可能的选择。对不同设计出的磁笼中等离子体运动行为及防止逃逸的研究（即所谓稳定性研究），成为实现受控热核聚变的第二个难点。为了约束这些一亿度的气体，人类为此工作了 50年，现在基本上解决了等离子体的约束问题。第三个难题是，如果要使高温等离子体中核聚变反应能持续进行，上亿度的高温必须能长时间维持，不论靠聚变反应产生的部分能量，或外加部分能量。或者可以说，等离子体的能量损失率必须比较小。因此需要解决的问题是，一定要让高温的等离子体能够稳定，并且
15、传热比较少、保温比较好，这个问题也是聚变研究很突出的问题。20世纪 90年代，在欧洲、日本、美国的几个大型托克马克装置上，聚变能研究取得突破性进展。不论在等离子体温度、在稳定性及在约束方面都已基本达到产生大规模核聚变的条件。初步进行的氘-氚反应实验，得到 16兆瓦的聚变功率。可以说，聚变能的科学可行性已基本得到论证，有可能考虑建造聚变能实验堆，创造研究大规模核聚变的条件。正是由于过去的 50年聚变研究解决了一些重要的科学问题，现在才有可能提出来建造一个实验堆，看看是不是在科学上和工程上都是能够实现聚变能这样一个目标。但是从建造一个聚变堆来说，这个问题还远不止这个，建设一个连续运行的聚变反应堆还
16、需要解决加料、排废、避免杂质、中子带出能量到包层、产氚及返送以及由于聚变反应产生大量带电氦原子核对等离子体的影响等一系列科学和工程上的难题。主持人：请您介绍一下国际热核聚变实验堆（ITER）计划的发展历程？嘉宾：由于聚变能的研究不仅关系到最终解决人类能源问题，而且还涉及众多最先进且非常敏感的技术，因此，ITER 计划的形成除与科学技术本身的发展有关外，还始终与主要大国在政治和外交方面的考虑分不开。1985年，作为结束冷战的标志性行动之一，前苏联领导人戈尔巴乔夫和美国总统里根在日内瓦峰会上倡议，由美、苏、欧、日共同启动国际热核聚变实验堆（ITER）计划。ITER计划的目标是要建造一个可自持燃烧（即点火）的托克马克核聚变实验堆，以便对未来聚变示范堆及商用聚变堆的物理和工程问题作深入探索。最初，该计划仅确定由美、俄、欧、日四方参加，独立于联合国原子能委员会（IAEA）之外，总部分设美、日、欧三处。由于当时的科学和技术条件还不成熟，四方科技人员于 1996年提出的 ITER初步设计很不合理，要求投资上百亿美元。1998
