冯开明：为了人类永久的清洁能源

“1升海水可产生相当于300升汽油的能量。一座100万千瓦的核聚变电站，每年耗氘量只需304千克。也就说，海洋就是人类的天然油库。”核工业西南物理研究院冯开明教授这样告诉记者。

实际上，自1977年毕业于上海交通大学核反应堆工程专业，他一直致力于核工业的科研与应用工作，并从上世纪80年代开始投身核聚变堆的理论研究设计工作。为了人类能够拥有永久的清洁能源，他每天都在坚持不懈地努力着。

核聚变能，人类永久的清洁能源

太阳的能量来自轻核聚变反应。太阳每秒将6.57亿吨氢聚变成氦, 亏损的质量转化成巨大的太阳能，成为支持太阳系统内一切活动的能量源泉。而氘-氚聚变反应将释放巨大的能量，一升海水中含30毫克氘，通过聚变反应可释放出的能量相当于300多升汽油的能量，而反应产物是无放射性的。据估计，天然存在于海水中的氘有45亿吨，把海水中的氘通过核聚变转化为能源，按目前世界能源消耗水平，足以满足人类未来几十亿年对能源的需求。这让人类不由自主地萌生了“人造太阳”的梦想。

随着全球经济的飞速发展，能源的战略日益凸显，人类对能源的需求也越来越大。从化石燃料提供的能源来看，地球上的化石燃料资源有限，煤储量有可能维持200年左右，石油、天然气仅能维持几十年；另一方面大量使用化石燃料，特别是煤炭，造成了严重的环境污染，而且能源结构单一，经济效益不合理。我国有13亿人口，目前的人均能源消耗仅为世界人均能耗的1/2，发达国家的1/40，主要能源是煤，而人均占有量远远低于世界水平。中国GDP正以年增长7%-8%的高速度发展，预计到2050年我国人口将增至15-16亿，根据国家发展远景规划，届时我国对能源将有巨大的需求。因此，我国将比其他任何国家更快遇到能源短缺和大量使用化石燃料造成严重环境污染的问题。从长远来看，核能将是继石油、煤和天然气之后的主要能源，人类将从“石油文明”走向“核能文明”。

“核聚变能又是一种洁净安全的能源。聚变燃料是按一定速度和数量加入，任何时候在反应室内的聚变燃料数量都不大，在进行核聚变反应时，即使失控也不会产生严重事故。此外，它不产生二氧化碳和二氧化硫等有害气体，也不会像核裂变那样产生大量裂变产物，特别是半衰期长的锕系元素。核聚变的反应产物是无放射性的惰性气体氦，所产生的放射性物质只是可能泄漏的微量氚和半衰期很短的活化材料。因此，聚变能将是人类可持续发展的最理想的清洁而又资源无限的新能源。”冯开明教授表示。

创新求实，推动核聚变进程

当核聚变能的前景让人类满怀憧憬之时，一个非常棘手的难题也同时横亘于眼前。要在地球上实现持续的轻核聚变反应，要求的条件相当苛刻。它要求产生热核聚变的等离子体维持足够高的温度、密度的约束时间，达到劳逊条件（温度*密度*能量约束时间，或称聚变三乘积）。例如，实现氘-氚聚变反应的条件是：等离子体温度达2亿度，同时粒子数密度达1020m-3，能量约束时间超过1秒。在这样极高的温度下，所有物质都变成完全电离的气体－等离子体。利用强磁场可以很好地约束带电粒子，将等离子体约束在一种特殊的称为真空室的磁容器中，并将聚变燃料加热至数亿度高温，以实现可控聚变反应并获得聚变能。因此，聚变能源的开发和应用，被认为是人类科学技术史上遇到的最具挑战性的特大科学工程。

“开发核聚变能需要强大的科技实力支撑，而且，其商业化应用没有哪一个国家能够单独搞成功。所以，我们必须联合起来。目前，ITER（国际热核聚变试验堆）计划的参与国包括中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国等七国。”冯开明介绍道。

作为科技部ITER专项首席科学家，冯开明的毕生梦想与追求就是实现核聚变能的商业化应用，解决子孙后代的永久能源问题。他说，“ITER计划的成功实施，将全面验证聚变能源开发利用的科学可行性和工程可行性，是人类受控热核聚变研究走向实际应用的关键一步。”

实际上，中国受控核聚变研究发展历史已有40余年，长期坚持以托卡马克为主要发展方向。目前在两大托卡马克装置HL-2A和EAST上开展国际前沿物理研究，取得了令国际聚变界瞩目的成就。

核工业西南物理研究院是我国最早从事核聚变的研究基地，冯开明也是我国较早进入该领域研究的学者之一。当年，他刚从上海交大毕业就被分配到中国原子能科学研究院，可随后他就被“核聚变”三个字深深吸引，进入位于四川乐山市郊的核工业西南物理研究院，开始潜心于受控核聚变的研究。尽管那时的研究条件艰苦，没有计算机，没有先进的设备，不但要刻苦钻研理论，还要为了借用计算机和其他设备而背着厚厚的计算稿纸辗转于几个城市之间，但是他仍然乐此不疲，并且做出了成果。

辛勤付出换来累累硕果。经过多年的物理与技术探索，中国环流器一号（HL-1）装置即于1984年在核工业西南物理研究院建成并投入运行，获得国家科技进步一等奖。经过8年的运行实验达到了预期目标，其参数达到国际上同类型规模装置的先进水平。“九五”期间，中国环流器二号A（HL-2A）装置通过国家立项建造，2002年建成并成功投入实验运行。HL-2A装置是我国第一个具有偏滤器位形的大型托卡马克装置,目前装置放电参数达到等离子体电流450千安、磁场强度2.65特斯拉、等离子体存在时间2960毫秒，成功实现了等离子体H模放电。由此，中国的受控核聚变研究进入快速发展期。

开展聚变-裂变混合堆的设计研究，是中国磁约束聚变能发展的另一个特点并被列入国家高技术发展（863）计划。这也是冯开明进入聚变领域早期的一项重要研究内容之一。早在上世纪80年代中期，他就与研究团队先后完成托卡马克工程试验混合堆系列概念设计（TETB, TETB-II, TETB-III）和托卡马克商用混合堆概念设计（TCB）。八五期间，完成“实验混合堆详细概念设计”的中间报告和总报告。九五期间，完成实验混合堆（FEB-E）工程堆概要设计。此外，他们还先后完成了商用聚变堆（STR）、D-3He先进燃料聚变堆、托卡马克聚变-嬗变堆的概念设计研究。2001-2005年期间，他领导的团队完成了紧凑型托卡马克聚变实验堆（CFER-ST）的工程概念设计研究。多项混合堆研究成果先后在国际上发表，中国的混合堆研究在国际上产生了广泛的影响，他曾多次被邀请在重要的国际学术会议上做相关学术报告。值得一提的是，最初西方国家以核扩散为由，反对中国的混合堆研究计划。现在，混合堆在核能中的重要性已得到国际聚变界越来越多的认同和支持。

冯开明是ITER实验包层模块计划（TBM）委员会的专家，中国固态TBM项目负责人。他介绍说，ITER包层分为屏蔽包层和实验包层两种。实验包层模块(Test Blanket Module，TBM),主要用于对未来商用示范聚变堆(DEMO)产氚和能量获取技术进行实验，同时用于对设计工具、程序、数据等的验证和一定程度上对聚变堆材料进行综合测试。ITER实验包层由各参与方提出自己的模块设计、技术研发与实验方案，它是实现未来核聚变商业化的关键。在ITER的不同的实验运行阶段安放不同的实验包层模块，依次进行电磁、热工水力、氚增殖和整体性能的实验。中国ITER计划有关方面已经确定“将全面参与产氚实验包层模块计划，并在ITER装置上独立发展氦气冷却\锂陶瓷氚增殖剂\低活化铁素体钢概念的实验包层模块技术，与其它国家平等分享ITER实验窗口位置,参加ITER运行第一天起的中国固态TBM模块实验”。在ITER上进行TBM实验，将为在我国发展聚变示范堆DEMO奠定坚实的技术基础。作为TBM项目的领军人物，冯开明深感责任重大。

核工业西南物理研究院是中国“固态TBM的设计和技术可行性项目”的牵头单位。TBM系统复杂，技术涉及诸多学科领域，冯开明每天都很忙碌，要搞科研，要指导研究生，要搞设计和技术开发，甚至还要频繁参加国际合作的协商与技术谈判，他是一刻也不敢松懈。因为他知道，ITER计划的七方在参与ITER计划的同时，都有各自独立的聚变堆研究发展计划。力争在国际核聚变能开发研究中占有一定的位置，是他始终铭刻于心的历史使命与责任。

ITER计划是国际上聚变堆设计的成功范例。我国虽然已具有较好的聚变堆设计研究基础, 但在聚变堆工程设计和技术基础等方面还有一定的差距。为此，冯开明带领聚变堆研究团队先后开展了相关的技术攻关并取得重要的技术成果。铍是用于聚变堆增殖包层的中子倍增材料，能否成功研制出符合设计要求的铍小球，是制约固态包层发展的技术瓶颈之一。冯开明带领的技术团队采用旋转电极法（REP）成功研制出了合格的铍小球，填补了国内空白，使我国成为继日本之后世界上第二个采用REP方法成功研制出聚变堆用铍小球的国家。中国ITER TBM项目的进展受到国际同行的高度关注，2010年在韩国举行的第23届国际原子能机构（IAEA）世界聚变能源大会上，冯开明被邀请做中国固态TBM计划进展的大会报告。

甘于奉献，为后世造福的事业

“国际热核聚变实验堆ITER的设计与建造，已经可以使人类看到光明的前景，但是实现聚变能的实际应用,仍是一个持久而不平坦的历程。这是因为除了要解决工程技术上的问题以外, 还要在能源市场上具有竞争力, 还需要一段相当长的发展时间。因此，需要具有奉献精神的科学家一代一代地持之以恒地奋斗下去。”冯开明时刻勉励自己奋进，并筹划着团队的未来。近年来团队中一批年轻研究人员脱颖而出，先后被派到ITER总部、美国、日本和欧洲研究聚变机构工作，走向核聚变国际大舞台，为此他感到无比欣慰。

以科学研究推进项目进展，以项目开展促进人才培养，是冯开明多年实践经验的总结。近年来，他先后承担多项国家自然科学基金项目和国家科学研究项目，包括“混合堆偏滤器物理与工程问题研究设计”，“基于Z-箍缩高功率、强脉冲Χ射线源装置原理性研究”，“高功率Z-Pinch内爆过程、辐射特性基础研究”，“聚变-裂变混合堆燃料管理技术探索研究”，科技部ITER计划专项“固态增殖剂TBM设计及关键技术研究”等等，带动了研究团队攻坚克难、不懈求索的氛围，并在国际上产生了重要的学术影响，他曾多次被邀请担任国际学术会议主席或共同主席、学术秘书。

冯开明曾先后在国内外学术刊物公开发表论文90余篇，在中核总核电软件中心入库研制、开发聚变堆设计用程序6个。其研究成果先后荣获部级科技进步奖8项，研究论文多次被国内外文献引用或收藏。他负责研制的混合堆放射性计算程序FDKR和衰变链数据库AF-DCDLIB于1989年在美国ORNL RSIC中心通过验收入库。该程序被国内有关研究单位广泛使用，并荣获部级科技进步奖励，1992年被国际原子能机构(IAEA)推荐为国际聚变活化计算比较研究程序之一。

冯开明常说，“人的生命是有限的，要多做点有意义的事儿。”为了ITER计划的顺利实施，为了人类能够拥有永久的清洁核聚变能源，他将继续奋斗下去。

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