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专注核聚变磁约束研究 推动我国核能开发——东华理工大学核科学与工程学院教授张国书
2021-09-16
能源是人类生存、发展的基础，随着经济的快速发展，化石能源消耗量持续增加，人类正面临着日益严重的能源短缺和环境破坏问题。发展清洁能源对于保障能源安全、实现国民经济可持续发展具有重要意义。
核能是清洁低碳、安全高效的现代能源体系的重要组成部分。从长远来看，聚变堆开发被视为解决能源问题的根本途径，中国在20世纪90年代就制定了核能“压水堆、快堆和聚变堆”三步走发展战略。目前，我国在聚变堆理论物理和数值模拟、包层技术、氚循环技术、超导磁体技术领域已跨入世界先进行列，但至今还没有氘氚点火的聚变物理实验装置，并十分缺乏燃烧等离子体加热、实验运行和诊断控制技术等实际经验。同时，在引领发展方向、理论创新和自主开发模拟软件方面与先进国家存在差距。
东华理工大学核科学与工程学院张国书教授长期从事聚变－裂变混合堆、国际实验热核反应堆（ITER）及中国聚变工程实验堆（CFETR）等大科学工程项目的研究，在聚变堆堆芯物理设计、聚变堆包层/屏蔽核工程设计等方面取得多项科研成果。近年来，张国书教授作为某大科学装置的项目负责人，为建造稳态运行的先进聚变堆探索出新的路径。
1 不忘初心，逐梦磁约束核聚变研究
核聚变事业是人类实现能源自由梦想的伟大事业，但需要几代人不断努力才有可能实现。为此，大学期间张国书选择了反应堆专业，并自此长期坚守在磁约束核聚变研究领域，毕业后进入核工业西南物理研究院从事聚变堆物理及核工程设计研究工作。当时恰逢国家863计划“聚变-裂变混合堆”专题实施，张国书义无反顾地投身项目研究。在此后的30余年中，他开展了聚变-裂变混合堆系统参数设计与优化、包层屏蔽中子学、核数据库及经济性分析等工作。20世纪90年代，国家提出在能源领域发展“三个堆”，即快堆、聚能堆、混合堆，但由于聚变堆芯还不成熟，在国内达不到聚变反应条件，混合堆在2000年曾一度中止。面对挫折，张国书重新找方向，在国家自然科学基金等基金项目的支持下，开展了“聚变堆用高温超导体的中子辐照特性研究”及“毫米波耦合腔行波管可行性研究”工作。2003年，被搁浅的ITER计划重新启动，他将全部精力投入其中。2009年ITER国内配套课题“固态增殖剂TBM设计与关键工艺研究”正式立项，作为中国聚变示范堆（DEMO）固态氚增殖包层设计组组长，中国ITER氦冷固态增殖剂模块（HCCB TBM）及辅助系统总体设计组组长，张国书带领课题组实现了TBM在中国从无到有的突破。
为进一步解决聚变堆长期运行的氚自持和抗中子辐照材料两大关键问题，2012年我国提出了自主研发中国聚变工程实验堆（CFETR）发展计划。张国书作为CFETR堆芯参数优化设计工作组组长、聚变堆物理组组长，带领课题组对CFETR堆芯参数进行了设计优化。
2 乘风破浪，开发偶极场聚变实验新装置
悬浮偶极场磁约束实验装置从理论基础、磁场结构及磁约束原理上与托卡马克、仿星器、磁镜、反场箍缩及反常位形等其他几种主流磁约束聚变途径有重大区别，是磁约束的新途径。偶极场聚变等离子体物理起步较晚，最早源自宇宙星球磁层等离子体环的空间体物理研究。与托卡马克相比，偶极场聚变最大优点是结构简单、等离子体不破裂、高比压（大于100%）、等离子体位于磁体环外侧，这些特性表明偶极场聚变可望用于建造第二代氘氘或氘氦－3的稳态运行聚变堆，从而可避免托卡马克聚变堆商业化所面临的材料、稳态运行和氚自持等重大难题，并大幅降低建造成本。
在关注国际偶极场聚变物理装置的新近实验进展，认真分析其理论和实践经验的基础上，针对我国基础科研发展的战略需求，结合自身的研究经历，张国书提出某悬浮偶极场聚变实验大科学装置研发计划，目前已获得江西省重点研发计划项目的支持。
该项目将对中国某偶极场聚变实验装置的建造开展预研工作。预研工作依托东华理工大学，旨在完成装置设计及其技术可行性研究，为下一步的某偶极场大科学实验装置的实际工程建造提供基于科学依据和坚实数据基础的设计方案。项目团队将重点围绕以下方面开展科研工作：探索装置在高温等离子体下的湍流及其所驱动输运的抑制机理；为获得装置高温等离子体，解决实验方案创新设计的理论和方法问题；研究复杂电磁－热环境下超导磁体稳定性；研发闭环超导磁体运行的高可靠性超导开关，可拔除式的超导磁体供冷/供电系统，高真空快速获得和检测技术，大型、低漏率及高稳定性真空室。
未来，团队将聚焦该项目研发的堵点、难点开展科研攻关，为某大科学实验装置的实际工程建造提供基于科学依据和坚实数据基础的设计方案，进一步提升国家聚变能应用开发能力，有利于中国对国际磁约束聚变发展产生更大的影响力。
