普京:俄罗斯处于热核聚变技术研发前沿

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8月22日,据俄罗斯塔斯社消息,俄罗斯总统弗拉基米尔·普京(Vladimir Putin)在萨罗夫与核工业领域工作者会面时表示,俄罗斯处于热核聚变技术研发的前沿。

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普京表示:“我们必须给自己设定宏伟目标,努力在国内经济乃至整个人类文明的发展上实现质的飞跃。这首先关乎可控热核聚变领域的工作。得益于已形成的技术储备,该领域的研发成果已被用于一系列应用解决方案的研发,而俄罗斯在这一领域的知识与技术方面处于前沿地位。”

本篇文章,我们将全方位分析俄罗斯(苏联)在核聚变研究的长期努力与突出成就。

一、托卡马克的起源:苏联的开创性突破

核聚变研究的故事,在很大程度上就是托卡马克的故事。而这个名字,源自俄语“

Тороидальная Камера с Магнитными Катушками

”(Toroidal’naya Kamera s Magnitnymi Katushkami)的缩写,意为“带磁线圈的环形容器”。它的诞生与发展,是苏联科学智慧与工程魄力的集中体现。

二战结束后,美苏两大阵营在核能领域展开激烈角逐。在核裂变武器初步成型后,双方几乎同时将目光投向了能量密度更高、燃料近乎无限的核聚变。苏联的核聚变研究最初在绝密状态下进行,由

伊戈尔·塔姆(Igor Tamm)和安德烈·萨哈罗夫(Andrei Sakharov)

等顶尖物理学家领衔。他们在1950年首次独立提出了利用磁约束来实现可控热核反应的概念。这几乎与美国的“磁镜”和“仿星器”(

磁约束核聚变实验室标杆:普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)

)概念同期,他们构思了“磁热绝缘”的原理,即利用强大的磁场将高温等离子体约束在真空室中,使其与容器壁隔离,从而达到发生聚变反应所需的数千万至上亿度的高温。

在库尔恰托夫原子能研究所(

NRC “Kurchatov Institute”

)(

托卡马克装置的开山鼻祖:库尔恰托夫研究所(NRCKI)

)的领导下,由后来被誉为“托卡马克之父”的

列夫·阿尔齐莫维奇(Lev Artsimovich)

院士实际主持的团队承担了将理论变为现实的重任。

1954年,他们建造了第一个环状磁约束装置

T-1

。然而,早期的实验充满了挫折。等离子体极不稳定,迅速碰撞到器壁而冷却。经过近十年的艰苦探索,团队意识到

环形装置中的等离子体电流不仅用于加热,更能产生一个极向磁场,与环向磁场叠加形成螺旋形的合磁场,这对于抑制等离子体的各种不稳定性至关重要

。这一关键认知是托卡马克原理的核心。

1960年代初期,一系列托卡马克装置(T-2, T-3, T-4)被建造出来以验证这一理论。其中,

T-3装置成为了改变历史的关键

。1968年,在苏联新西伯利亚举行的第三届等离子体物理与受控核聚变国际会议上,阿尔齐莫维奇团队宣布,T-3装置将氢等离子体加热到了惊人的1000万度,并实现了前所未有的能量约束时间。这一结果起初备受西方科学家的怀疑。

而为了验证这一突破性的声明,英国卡勒姆实验室的团队带着当时最先进的汤姆逊散射诊断设备访问了库尔恰托夫研究所。测量结果证实了苏联数据的真实性。

1969年,英国《自然》杂志发表了这一联合实验结果,瞬间震惊了全球聚变界

T-3的成功证明,托卡马克路径在约束等离子体方面远优于当时西方主流的仿星器和其他磁约束方案。它展示了一条清晰通往聚变点火的可行之路。自此,全球聚变研究的重心发生了决定性的转移,美、欧、日等国纷纷放弃或缩减原有路径,开始大规模建造自己的托卡马克装置。一个源自苏联机密实验室的设计,就此成为了全球聚变研究的

“黄金标准”

。至1980年代,苏联相继建成T-10、T-15等装置,其中T-15是首个使用超导磁体的托卡马克(1988年),标志工程技术的重大飞跃。

二、ITER项目的发起与俄罗斯的贡献

1985年,冷战阴云尚未散去,但美苏关系出现了缓和的迹象。时任苏联领导人

米哈伊尔·戈尔巴乔夫(Mikhail Sergeyevich Gorbachev)

在与美国总统罗纳德·里根(Ronald Wilson Reagan)的峰会中,首次提出了

联合开展国际核聚变项目

的建议。这一提议超越了意识形态的藩篱,旨在将全球最优秀的科学力量汇集于一个共同的目标—为全人类解决能源问题。里根对此表示支持,并同意与苏联展开磋商。

这一政治倡议迅速得到了科学界的响应。在国际原子能机构(IAEA)的框架下,苏联、美国、欧洲和日本开始了可行性研究。苏联不仅提供了政治动力,更贡献了其基于托卡马克数十年的工程经验和物理数据库。库尔恰托夫研究所的科学家们深度参与了ITER最初的概念设计(Conceptual Design Activities, CDA),为其奠定了坚实的技术基础。

作为托卡马克的“故乡”,俄罗斯在ITER的设计和建设中承担了众多

至关重要、不可替代

的子系统和部件研发任务:

  • 超导磁体系统:

    ITER的核心是其巨大的超导磁体,用以产生约束等离子体的强磁场。俄罗斯继承了苏联在低温物理和超导技术方面的强大传统,承担了

    所有环向场(Toroidal Field,TF)线圈的导体生产任务

    。这些Nb3Sn超导导体需要在极低温和巨大电磁力下稳定工作,技术门槛极高。俄罗斯的工厂提供了数百吨满足苛刻标准的超导缆线,是ITER磁体系统的“主动脉”。

  • 等离子体加热与电流驱动:

    俄罗斯为ITER开发了

    电子回旋共振加热(ECRH)和电流驱动系统

    的核心部件—大功率回旋管。这些微波发生器能够产生极高功率的毫米波,用于精准加热等离子体和控制电流分布。俄罗斯研发的回旋管在功率、效率和可靠性上均处于世界领先地位。

  • 包层模块(Blanket)测试:

    ITER的部分第一壁包层模块将采用俄罗斯提出的

    锂陶瓷氚增殖剂概念

    。这种设计对于实现氚的自持(聚变堆燃料循环的关键)至关重要。俄罗斯的测试模块将在ITER中进行验证,为未来商业反应堆提供宝贵数据。

  • 诊断系统:

    由于拥有运行T-10、T-15等中型托卡马克的长期经验,俄罗斯团队为ITER设计了大量先进的等离子体诊断设备,如同给反应堆安装了“眼睛”,用于精确测量等离子体的温度、密度、杂质含量等成千上万个参数。

ITER的选址和预算谈判曾历经波折。2003年,中国和韩国加入,形成了今日的七方合作格局(中、欧、印、日、韩、俄、美)。在激烈的选址竞争中,俄罗斯支持了法国的卡达拉什基地。尽管近年来俄罗斯与西方关系紧张,地缘政治局势复杂,但

ITER项目却奇迹般地保持了相对稳定的科学合作

。所有参与方,包括俄罗斯,都清醒地认识到,聚变能的挑战远超政治分歧,任何一方的缺席都将对项目造成难以承受的损失,甚至导致失败。

截至目前,俄罗斯在ITER项目中的实物任务已经完成。欧盟能源专员丹·约根森 (Dan Jørgensen)曾在今年7月接受采访时表示:俄罗斯“已经履行了ITER所有实物捐助”。

三、聚变技术辐射周边国家

苏联及俄罗斯的核聚变贡献并非止于国内,其“科学国际主义”的精神曾广泛惠及其盟国和合作伙伴,其中最显著的例子便是对中国和哈萨克斯坦的援助。

1980年代,中国正处于改革开放初期,核聚变研究基础相对薄弱。1990年,

苏联库尔恰托夫研究所主动提出,将其国内已退役的超导托卡马克装置T-7赠送给中国

。T-7是苏联乃至全球较早的超导托卡马克之一,虽然规模不大,但其超导磁体技术对于当时的中国来说是无价之宝。

中方团队在俄罗斯专家的协助下,将T-7的部件运抵合肥,并以此为基础,进行了全面的消化、吸收和再创新。中国科学院等离子体物理研究所(ASIPP)的科研人员

没有简单地重建T-7,而是利用其超导磁体系统,重新设计了装置的主体结构,成功建造了中国第一个超导托卡马克—HT-7

HT-7的建成和运行(1994年首次放电)是中国核聚变研究

的里程碑事

件。它使中国一跃成为世界上少数几个拥有超导托卡马克的国家之一。通过运行和改造HT-7,中国培养了一整代超导托卡马克的设计、工程和物理人才,积累了宝贵的经验,为日后完全自主设计、建造世界领先

的全超导托卡马克EAS

T奠定了不可或缺的基础。可以说,没有T-7的赠予,中国聚变研究的腾飞之路将会曲折得多

1991年苏联解体,哈萨克斯坦作为前苏联的加盟共和国,继承了其部分科研遗产。位于哈萨克斯坦库尔恰托夫市

的国家核中

心拥有一些聚变研究设施。俄罗斯与哈萨克斯坦在这些领域保持了紧密的合作关系,例如在材料测试、等离子体物理基础研究等方面开展联合实验。俄罗斯为其提供技术支持和专家交流,共同维护和发展这一地区的科研能力。

2017年,俄罗斯为哈萨克斯坦设计的球形托卡马克装置KTM建成。当年6月11日,哈萨克斯坦国家核中心(NNC)与ITER组织签署合作协议,从而使哈成为第二个签署了ITER技术合作协议的非ITER参与方(第一个是澳大利亚)。据了解,KTM主要用于模拟ITER运行条件下等离子体与材料的相互作用,能够在高达20MW/㎡的热负荷下开展材料检测工作,从而为解决聚变堆材料问题提供帮助

四、俄罗斯的聚变科研优势与重

支柱

得益于俄罗斯体系化、建制化的科研优势,尽管面临经济起伏和国际环境挑战,俄罗斯的核聚变研究至今仍保持着强大的竞争

力:

  • 理论物理的深厚底

    蕴: 俄罗斯(苏联)学派在理论物理和应用数学方面享有世界级声誉。这种优势完美延续到聚变研究中,使

    其在等离子体理论、磁流体动力学(MHD)不稳定性分析、湍流模拟、聚变中

    子学等基础领域始终保持领先。他们不仅能解释实验现象,更能预言新现象、提出新概念。除了托卡马克,俄罗斯也较早的提出了聚变-裂变混合堆、开放式磁阱等替代聚变概念,同时在激光聚变、Z箍缩等领域也有一定的积

    累。

  • 强大的工程实现能

    力: 继承自苏联的庞大重工业和军事工业体系,赋予了俄罗斯

    解决极端条件下工程

    难题的独特能力。无论是超大功率脉冲能源系统、极端真空技术、耐高温抗辐射材料,还是复杂的大型超导磁体工程,俄罗斯都拥有扎实的工艺基础和经验丰富的工程师队

    伍。

  • 完整的人才培养体

    系: 从莫斯科工程物理学院(MEPhI)、莫斯科国立大学到圣彼得堡理工大学等顶尖高校,俄罗斯拥有为核工业(包括聚变)输送专业人才的完整教育链条。理论与实践紧密结合的培养模式,确保了研究队伍的持续造血能

    力。

  • 国家层面的持续战略支

    持: 核能(包括裂变和聚变)始终被俄罗斯视为国家战略安全的基石,因此即使在经济困难时期,相关研究也从未被完全中断,保持了研究队伍的完整性和技术的延续

    性。

在谈及俄罗斯核聚变的支柱企业时,俄罗斯国家原子能集团公

司(Rosat

om)无疑是绕不开的一个企业,它是整合俄罗斯所有核资产(军民用途)的巨型国有企业。它不仅是一个商业公司,更是

一个集科研、设计、建造、运营和核出口于一体的国家战略执

在核聚变领域,Rosatom

扮演着总协调者和资源

整合者的

角色:

  • 统一

    领导: 其下属的“核聚变与等离子体技术”方向,统一协调国内各大研究机构(如库尔恰托夫研究所、TRINITI研究所等)和设计局的工作,避免重复投入,集中力量

    攻关。

  • 项目

    主导: Rosatom是俄罗斯参与ITER项目的官方代表,负责履行国际承诺,管理预算,并组织国内企业完成部件制造

    任务。

  • 技术

    转化: 利用其庞大的核工业体系,Rosatom致力于将聚变研发中产生的尖端技术(如超导、新材料、遥操作机器人等)应用于其他领域,实现技术转化的价值,同时也能将裂变堆建设中积累的工程管理经验反哺给未来的聚变堆

    建设。

  • 国际

    合作:作为实体,Rosatom与全球其他聚变机构签署合作协议,开展联合研究,推动了双边和多边的技术

    交流。

Rosatom的存在,使得俄罗斯的聚变研究不再是分散的学院式探索,而是在一个国家战略框架下的、有明确应用目标的系统性工程,效率和目的性都大大

增强。

五、当前科研与商业化的

略考量

传统核裂变能领域,俄罗斯处于绝对领先地位,曾一度占据全球新建核电站近7成份额。当前,俄罗斯正积极推进其聚变-裂变混合堆概念,俄罗斯拥有多个先进的托卡马克装置正在运行和设

计中:

  • T-15

    MD:由库尔恰托夫研究所建造的中型超导托卡

    马克(俄罗斯的中型托卡马克装置:T-1

    5MD),已于2020年正式建成,是俄罗斯当前的核心实验平台。T-15MD计划实验ITER和未来聚变反应堆的最佳的运行参数,并探索混合聚变/裂变模型的可行性,同时还可以进一步开发和研究新型聚变等离子体技术,如液态锂第一壁和偏滤器组件以及无感电流驱动

    等。

  • TRT:这是俄罗斯可控热核聚变和核聚变发电站发展的重要部分,旨在快速且经济地促进向纯聚变反应堆以及聚变-裂变混合堆的过渡。该反应堆被描述为“具有长脉冲放电、强磁场和由高温超导材料制成的电磁线圈系统的托卡马克装置”。俄罗斯国家原子能公司(Rosatom)还表示:“许多在世界其他地方不存在的新技术都将在TRT上首次进行测试”。2024年12月,TRT的初步设计完成,该项目在设计时也借鉴了国际热核聚变实验堆(ITER)项目中获得的经验。据了解,TRT目标在2030年

    建成。

而对于商业化,俄罗斯的认识则是现实的:在示范电站建成后,至少还需要一代(约20-30年)的迭代优化,才能出现具有经济竞争力的商业聚变堆。因此,当前的重点仍是解决科学和关键工程技术问题,而非急于求成。

纵观历史,俄罗斯的核聚变研究是

一部从开创、引领到持

续深耕的宏伟篇章。它起源于冷战时天才的科学构想,通过无私的国际合作惠及全球,并凭借其深厚的科学-工业综合体在当今激烈的竞争中稳居。

参考链接:

  • https://tass.com/economy/2006353
  • https://iterrf.ru/index.php/en/vklad-rossii
  • https://iterrf.ru/index.php/en/
  • https://www.euractiv.com/section/eet/news/eu-says-it-cant-kick-russia-out-of-flagship-nuclear-fusion-project/

前列。