摘要 一個經濟實用的商用堆必須是高效、緊湊和穩態運行的。未來商用堆必須是全超導，才能實現穩態運行。我國超導託卡馬克研究始於1991年，在將原蘇聯T7超導託卡馬克改成HT-7後並在其上做了許多有意義的工作。1997年開始全超導託卡馬克EAST計劃，2006年建成並投入運行。未來將在長脈衝條件下進行高參數等離子物理實驗，為未來穩態、先進聚變實驗反應堆奠定良好的工程技術和物理基礎。
關鍵詞 磁約束聚變，超導，託卡馬克1 引言
熱核聚變能是輕核聚變所釋放的能量。地球上最容易實現的聚變反應是氘氚反應:
D(氘)+T(氚)→
?琢(氦-4)+n(中子)+17.6MeV能量
其中，中子攜帶14.1MeV能量，?琢粒子帶3.5MeV能量。在1噸海水中氘約含40克、鋰約0.15克，中子照射鋰-6可造氚。這樣，浩瀚的大海可為人類提供聚變能源至少幾十億年。同時氘氚反應過程不產生放射性，即使14.1MeV中子輻照到物質上所產生的放射性也是短壽命的。特殊設計的氘氚反應堆還可以使裂變堆中產生的長壽命高放射性物質得到「嬗變」，或者使鈾238或釷232增殖為鈽239或鈾233，從而使儲量豐富的上述裂變材料得到充分利用。可以說，聚變能是無汙染、無放射性核廢料、資源無限的理想能源，是目前認識到的可以最終解決人類能源和環境問題的最重要的途徑之一。
磁約束聚變是利用強磁場這一「磁容器」來約束高溫等離子體，並進而將其加熱至上億度，從而維持連續的熱核反應，並將其巨大的能量轉化為電能。
受控核聚變研究在經濟等方面有著巨大潛力，因此各核大國每年投入研究經費都達數億美元。20世紀50年代初期，前蘇聯科學家提出託卡馬克的概念。託卡馬克(TOKAMAK)在俄語中是由「環形」、「真空」、「磁」、「線圈」幾個詞組合而成，依靠等離子體電流和環形線圈產生的強磁場，將極高溫等離子體狀態的聚變物質約束在環形容器裡，以此來實現聚變反應。1954年，第一個託卡馬克裝置在原蘇聯庫爾恰託夫原子能研究所建成。70年代初，在蘇聯T3託卡馬克上獲得超過1000萬度的等離子體，國際上很快形成了較大規模，以託卡馬克為主流的磁約束研究方向。
2 國內外託卡馬克研究現狀
在眾多途徑中，託卡馬克獲得了巨大成功。上世紀90年代，歐盟的JET、美國的TFTR和日本的JT-60這3個大型託卡馬克裝置在磁約束核聚變研究中獲得許多重要成果：等離子體溫度達4.4億度，這一溫度不僅大大超過氘氚反應點火的要求，而且已接近了氘氦-3聚變反應堆點火溫度，脈衝聚變輸出功率超過16兆瓦，聚變輸出功率與外部輸入功率之比Q等效值超過1.25。所有這些成就都表明：託卡馬克是最有可能首先實現聚變能商業化的途徑。但這些結果僅僅持續數秒鐘，尚不能用於未來電站。未來電站要求數億度的等離子體必須穩態運行。上述裝置都是常規託卡馬克，其磁場只能定短脈衝的方式，無法連續運行。
可控熱核聚變能研究的一項重大突破，是將超導技術成功地應用於產生託卡馬克強磁場的線圈上。原蘇聯於上世紀70年代末建造的T-7裝置是世界上第一個超導託卡馬克裝置，在庫爾恰託夫原子能研究所運行了5年左右，雖然該裝置僅開了12個小窗口，無法開展真正意義上的等離子體物理實驗，但卻將超導技術用於縱場磁體並調試成功，最大縱場勵磁電流達4800A(對應等離子體中心磁場2.5T)。 其重大意義在於在工程上驗證了縱場磁體能夠在這類磁容器上實現連續穩態運行。
國際上主要核國家的聚變界歷時10多年，耗資近15億美元啟動的國際熱核實驗堆ITER項目，將集成當今國際受控磁約束核聚變研究的主要科學和技術成果，第一次在地球上建成能與未來實用聚變堆規模相比擬的受控熱核聚變實驗堆，解決通向聚變電站的關鍵問題。這是人類受控熱核聚變研究走向實用的關鍵一步，因此受到各國政府及科技界的高度重視和支持。歐盟、日本、美國都明確提出在未來35年內建立聚變示範堆，在本世紀中葉實現聚變能的商用目標。
我國核聚變能研究始於上世紀60年代初，儘管經歷了長時間非常困難的時期，但始終能堅持穩定、逐步的發展，建成了兩個在發展中國家最大的、理工結合的大型現代化專業研究所，即核工業總公司所屬的西南物理研究院(SWIP)及中科院所屬的合肥等離子體物理研究所(ASIPP)。為了培養專業人才，還在中國科技大學、大連理工大學、華中理工大學、清華大學等高等院校建立了核聚變及等離子體物理專業或研究室。
我國核聚變研究從起步之初，即便規模很小時，就以在我國實現受控熱核聚變能為主要目標。自70年代開始，集中選擇了託卡馬克為主要研究途徑，先後建成並運行了小型CT-6(中科院物理所)、KT-5(中國科技大學)、HT-6B(ASIPP)、HL-1A(SWIP)、HT-6M(ASIPP)及較大一些的HL-1M(SWIP)。最近SWIP建成的HL-2A經過進一步升級，有可能進入當前國際上正在運行的少數幾個中型託卡馬克之列。在這些裝置的成功研製過程中，組建並鍛鍊了一批聚變工程隊伍。我國科學家在這些常規託卡馬克裝置上開展了一系列十分有意義的研究工作。
1991年，我國開始開展超導託卡馬克發展計劃(ASIPP)，探索解決託卡馬克穩態運行問題。1994年底，ASIPP成功改建了我國第一臺超導託卡馬克裝置HT-7及其附屬系統，並於1995年初投入運行。HT-7超導託卡馬克系統是ASIPP在廣泛國際合作的基礎上，爭取國內各方的支持，主要依靠自己的力量，用短短3年多的時間改建而成的核聚變實驗裝置。其主要研究目標是，獲得並研究長脈衝或準穩態高溫等離子體並檢驗和發展與其相關的工程技術，為未來穩態先進全超導託卡馬克裝置提供工程技術和物理基礎。
該裝置1995年投入運行，經過多方面的改進、完善，裝置運行的整體性能和水平有了很大的提高。10多年來，物理實驗不斷取得重大進展和突破。在中心等離子體密度大於2.2×1019/m3條件下，最高電子溫度超過5000萬度；成功地實現了306秒的穩態等離子體放電，等離子體電流60kA，中心電子密度0.8×1019/m3，中心電子溫度約1000萬度。高溫等離子體存在時間在世界各大裝置中僅次於容積大於HT-7裝置17.5倍的法國超導託卡馬克Tore-Supra。
HT-7實驗的成功，使HT-7裝置成為世界上第二個全面開放的、可進行高參數穩態條件下等離子體物理研究的公共實驗平臺。
一個經濟實用的商用堆必須是高效、緊湊和穩態運行的。 全超導託卡馬克可實現穩態運行，並通過在穩態運行條件下大大改善約束，為未來穩態、先進聚變反應堆奠定工程技術和物理基礎。未來商用堆必須是全超導，才能實現穩態運行。上世紀末，由於其工程難度及風險極大，世界上尚無建造全超導託卡馬克的先例。國家大科學工程項目「EAST(原名HT- 7U)超導託卡馬克核聚變實驗裝置」的科學目標正是針對目前建造託卡馬克核聚變堆尚存在的前沿性物理問題，進行探索性的實驗研究，為未來穩態、安全、高效的先進商業聚變堆提供物理和工程技術基礎。
「EAST超導託卡馬克核聚變實驗裝置」包括一個具有非圓小截面的大型超導託卡馬克EAST實驗裝置和低溫系統、真空系統、電源系統、控制與數據採集系統、波加熱系統、波驅動電流系統、診斷系統以及公共基礎設施等重要子系統。EAST超導託卡馬克實驗裝置是本項重大科學工程的核心。EAST裝置主機的主要特點是：EAST裝置的極向場和縱場採用了超導磁體，以提供穩態的等離子體約束，成形和平衡所需的穩定磁場；為實現大的拉長比和三角形變及開展各種高約束模式的實驗研究的要求，EAST裝置設計有獨特的非圓截面真空室和超導縱場磁體；在EAST裝置真空室內設置有主動冷卻的偏濾器、限制器、被動補償板、快速反饋線圈等內部部件，可深入開展在極長脈衝及穩態條件下的先進運行模式的研究。
EAST超導託卡馬克裝置(圖1)於2006年初成功進行了工程調試，並於2006年成功開展了兩次物理實驗，獲得了拉長截面偏濾器等離子體。2007年3月1日，國家發展和改革委員會組織了「EAST超導託卡馬克核聚變裝置」的國家驗收，驗收專家認為：「按照國家發展和改革委員會批准的建設方案，該項目全面優質地完成了工程建設任務，達到工程建設的要求，實現了預定的各項指標」。「該裝置具有完整的自主智慧財產權，目前處於國際同類裝置領先水平」。
目前國際上正在以及近期即將運行的主要託卡馬克裝置(見表1)。
3 未來十年國內外發展趨勢
經過數10年國際磁約束聚變界的共同努力，託卡馬克作為受控磁約束核聚變反應堆的可行性已得到初步驗證，下一步必須解決的關鍵問題和託卡馬克聚變反應堆工程可行性與商用可行性密切相關，它涉及到穩態先進託卡馬克運行模式以及燃燒等離子體物理這兩大科學問題。因此，未來10年託卡馬克的研究重點是穩態、高約束等離子體的行為與特徵。為實現這一目標，只能使用全超導託卡馬克這一新一代的研究平臺。這也是ITER建設的主要原因之一。
過去5年，世界各主要裝置實驗都是圍繞未來ITER運行的物理基礎展開一系列研究，各大裝置相互配合、補充，並相互充分驗證ITER所需物理基礎和資料庫。今後5年，各主要裝置以及各國政府對經費的支持都將以此為重心，以期為10年後ITER的順利運行打下良好的基礎。
上述10個裝置中，韓國KSTART、印度SST-1尚未建成，除EAST外，其餘裝置由於各種原因幾乎均不能再運行10年。HT-7、JT-60U將會在3—4年後關閉。HL-2A有進一步升級計劃，幾年後將被改造為與德國Asdex-U類似的裝置。由於已進行了20年的實驗運行，基本完成其科學目標，Tore-Supra、DIII-D、JET等裝置也許只能再運行5年。
EAST裝置能實現高參數穩態運行,可開展先進聚變反應堆的前沿性、探索性研究，為聚變能的前期應用提供重要的工程和物理基礎。EAST裝置不僅規模大，其具有的非圓截面、全超導及主動冷卻內部結構等特點，將有利於探索穩態近堆芯等離子體的科學和技術問題。ITER裝置的建設需要10年，其間具有穩態運行能力的裝置極少。這10年是EAST的黃金期，在這期間，不僅可以開展穩態等離子體研究，提升我國在磁約束聚變領域的研究水平和能力，建立起一支能與國際水平接軌的研發隊伍，為全面參與ITER的科學實驗奠定基礎，同時通過廣泛的國際合作，也可以使它成為未來10年世界上為數極少的能為ITER提供前期穩態高參數等離子體研究的實驗平臺，逐步使等離子體所成為我國聚變研究基地和國際聚變合作研究中心。
4 國際熱核聚變實驗堆(ITER)
1985年，作為結束冷戰的標誌性行動之一，前蘇聯領導人戈巴契夫和美國總統裡根在日內瓦峰會上倡議，由美、蘇、歐、日共同啟動「國際熱核聚變實驗堆(ITER)」計劃。ITER計劃的目標是要建造一個可自持燃燒(即「點火」)的託卡馬克核聚變實驗堆，以便對未來聚變示範堆及商用聚變堆的物理和工程問題做深入探索。
最初，該計劃僅有美、俄、歐、日四方參加。由於當時的科學和技術條件還不成熟，四方科技人員於1996年提出的ITER初步設計很不合理，要求建設投資上百億美元。1998年，美國出於政治原因，以加強基礎研究為名，宣布退出ITER計劃。歐、日、俄三方則繼續堅持合作，並基於上世紀90年代核聚變研究及其它高新技術的新發展，大幅度地修改了實驗堆的設計。2001年，歐、日、俄聯合工作組完成了ITER裝置新的工程設計(EDA)及主要部件的研製，預計建造費用為50億美元，建造期8—10年，運行期20年。其後，三方分別組織了獨立的審查，都認為設計合理，基本上可以接受。
2002年，歐、日、俄三方以EDA為基礎開始協商ITER計劃的國際協議及相應國際組織的建立，並表示歡迎中國與美國參加ITER計劃。中國於2003年1月初正式宣布參加協商，其後美國在1月末由布希總統宣布重新參加ITER計劃，韓國在2005年被接受參加ITER計劃協商。以上六方於2005年6月籤訂協議，一致同意把ITER建在法國核技術研究中心(Cadarache)，從而結束了激烈的「選址大戰」。印度於2006年加入ITER協商。最終，七個成員國政府於2006年11月籤了建設ITER的國際協定。
作為聚變能實驗堆(圖2)，ITER要把上億度的高溫氘氚等離子體約束在體積達837立方米的「磁籠」中，產生50萬千瓦的聚變功率，持續時間達500秒。這將是人類第一次在地球上獲得持續的、有大量核聚變反應的高溫等離子體，並產生接近電站規模的受控聚變能。
在ITER上開展的研究工作將揭示這種帶有氘氚核聚變反應的高溫等離子體的特性，探索它的約束、加熱和能量損失機制，等離子體邊界的行為以及最佳的控制條件，從而為今後建設商用的核聚變反應堆奠定堅實的科學基礎。對ITER裝置工程整體及各部件在50萬千瓦聚變功率長時間持續過程中產生的變化及可能出現問題的研究，不僅將驗證受控熱核聚變能的工程可行性，而且還將對今後如何設計和建造聚變反應堆提供必不可少的信息。
ITER的建設、運行和實驗研究是人類發展聚變能非常必要的一步，有可能將直接決定真正聚變示範電站(DEMO)的設計和建設，並進而促進商用聚變電站的更快實現。
ITER裝置不僅反映了國際聚變能研究的最新成果，而且綜合了當今世界各領域的一些頂尖技術，如：大型超導磁體技術，中能高流強加速器技術，連續、大功率毫米波技術，複雜的遠程控制技術等等。
儘管就總體規模和水平來說，我國核聚變能的研究與美、歐、日等發達國家還有不小的差距，但是我們有自己的特點，同時也在技術和人才等方面為參加ITER計劃做了相當的準備。這使得我們有能力完成約定的ITER部件製造任務，為ITER計劃做出相應的貢獻，並有可能在合作過程中全面掌握聚變實驗堆的技術，達到我國參加ITER計劃的目的。中國政府已於2006年11月在法國正式籤署了ITER合作協議，成為正式成員國。今後10年將按協議承擔義務，完成ITER 10%部件的建造。
為此，未來10年，我國應充分吸收國內外聚變堆設計的經驗，通過參加ITER掌握實驗堆的關鍵技術，在我國近20年聚變堆設計的基礎上，自主設計中國聚變堆，並對其中最為關鍵的技術進行預研和發展，使我國在2020年前後形成具有自主研發設計製造聚變示範堆的能力，跨入世界核聚變能研究開發的先進行列。
5 未來十五年我國超導託卡馬克研究
的發展方向
未來15年，是國際磁約束聚變發展的重要時期。隨著ITER計劃實施，託卡馬克研究進入快車道。我國應抓住這一重大機遇，瞄準國際核聚變能研發前沿水平，參加ITER裝置的建設、運行和實驗，配合國內相應的技術研發，積極開展國際合作，與自主研發並重，消化、吸收，全面掌握ITER的設計及各方面的重要技術和科學成果。
將國內的研究目標與國際前沿接軌，通過人員派出和引進，開展聯合科學研究，將國內的研究基地建成中國特色的、能為國際聚變資料庫提供有價值數據、全面開放的研究基地。
結合ITER科學和技術研究計劃，在ITER建設期(2006—2016年)，把EAST建成國際化的聚變研究中心和做為ITER的前期試驗基地，全面發揮EAST的潛力，開展相應的關鍵科學問題研究和關鍵技術發展。將EAST建成具有重要科學和技術基礎的、不可替代的、全方位開放的國內外合作研究的重要平臺，全面提升我國在聚變能研究領域的國際地位，使我國在穩態先進磁約束核聚變研究方面進入世界前列。
完成ITER建設中我國承制的超導導體、電源、屏蔽包層等部件的設計、認證以及製造技術的研發，完成全部部件的製造，掌握ITER關鍵技術。大幅度提高我國聚變工藝方面的水平，使重大的設備達到較高的國產化率並在國內形成有一定規模的聚變工業。
加強理論、計算機數值模擬和基本等離子體物理問題的研究，在一些小裝置上開展多途徑的探索。在國內相應的大學、研究所建立有一定規模的等離子體物理和聚變工程的人才培養基地群，大力推進人才培養。
與此同時，發展關鍵技術，如Nb3Sn超導磁體、低活化第一壁材料、混合堆包層關鍵技術、氚工藝、遠程控制、高功率穩態中性注入和微波加熱技術、先進診斷技術。獨立開展多功能聚變堆的設計、研發，為在「十二五」末開始設計、建造實驗堆奠定堅實基礎。
通過10—15年的努力，建立並完善國家核聚變能研究發展戰略體系，使我國核聚變能開發技術水平進入世界先進行列，使得我國在2020年前後有能力設計與研製聚變能示範堆，有能力自主開發ITER技術在能源領域的應用。
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An economical and practical commercial reactor must be high efficient, compact and steady-state in operation. Future commercial reactor must be fully superconducting device which can be operated steadily. Superconducting Tokamak research in China started in 1991 by the modification of a formal Russian Tokamak T-7 to HT-7. Significant progresses have been obtained over the past 10 years. EAST project, a fully superconducting Tokamak, started in 1997 and finished its construction and was put into operation in 2006. In the future, high parameter plasma physical experiments will be conducted under the condition of long impulse, so as to establish a solid engineering and physical basis for future steady-state and advanced fusion experimental reactor.
Keywords Magnetic-confined fusion, superconducting, Tokamak