人造小太陽之磁約束核聚變 | 中國工程院院刊

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可控核聚變能源是未來理想的清潔能源。在磁約束聚變領域，託卡馬克研究目前處於領先地位。我國正式參加了國際熱核聚變實驗堆（ITER）項目的建設和研究，同時正在自主設計、研發中國聚變工程試驗堆（CFETR）。

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可控核聚變能源是未來理想的清潔能源。在磁約束聚變領域，託卡馬克研究目前處於領先地位。我國正式參加了國際熱核聚變實驗堆（ITER）項目的建設和研究，同時正在自主設計、研發中國聚變工程試驗堆（CFETR）。

磁約束聚變

磁約束聚變是利用特殊形態的磁場把氘、氚等輕原子核和自由電子組成的處於熱核反應狀態的超高溫等離子體約束在有限的體積內，使等離子體受控制地發生大量的原子核聚變反應，釋放出能量。

磁約束聚變通過低密度長時間燃燒的方式實現氘、氚等離子體的自持燃燒，並將這種燃燒維持下去。

世界上的磁約束聚變裝置主要有託卡馬克、仿星器、磁鏡三種類型，其中託卡馬克最容易接近聚變條件而且發展最快。

ITER裝置

目前，國際磁約束聚變界的主要研究內容是與ITER裝置相關的各類物理與技術問題。

國際熱核聚變實驗堆（ITER）裝置設計總聚變功率達到5×105kW，是一個電站規模的實驗反應堆。

ITER的作用和任務是利用具有電站規模的實驗堆證明氘、氚等離子體的受控點火和持續燃燒，驗證聚變反應堆系統的工程可行性，綜合測試聚變發電所需的高熱流和核部件，實現穩態運行，從而為建造聚變能示範電站奠定堅實的科學基礎和必要的技術基礎。

ITER計劃的科學目標具體包括：

集成驗證先進託卡馬克運行模式；

驗證「穩態燃燒等離子體」物理過程；

聚變阿爾法粒子物理；

燃燒等離子體控制；

新參數範圍內的約束定標關係；

加料和排灰技術。

ITER裝置運行第一階段的主要目標是建設一個氘、氚燃燒能產生5×105kW 聚變功率、聚變增益係數Q=10、脈衝維持大於400 s 的託卡馬克聚變堆。在ITER 裝置中將產生與未來商用聚變反應堆相近的氘、氚燃燒等離子體，供科學家和工程師研究其性質和控制方法，這是實現聚變能必經的關鍵一步。

ITER 裝置運行的第二階段將探索實現穩態高約束的高性能燃燒等離子體，聚變增益係數Q=5、脈衝維持大於3 000 s。這種穩態高性能的「先進燃燒等離子體」是建造託卡馬克型商用聚變堆所必需的。

ITER 計劃在後期還將探索實現高增益的燃燒等離子體。ITER 計劃科學目標的實現將為商用聚變堆的建造奠定可靠的科學和工程技術基礎。

此外，ITER 計劃的工程技術目標是通過創造和維持氘、氚燃燒等離子體，檢驗和實現各種聚變技術的集成，並進一步研究和發展能直接用於商用聚變堆的相關技術。上述工作是設計與建造商用聚變堆之前所必須的，而且只能在ITER 裝置上開展。

ITER 計劃在工程技術方面部分驗證的聚變堆的工程技術問題包括以下幾個：

堆級磁體及其相關的供電與控制技術研究；

穩態燃燒等離子體（產生、維持與控制）技術，即無感應電流驅動技術、堆級高功率輔助加熱技術、堆級等離子體診斷技術、等離子體位形控制技術、加料與除灰技術的研究；

初步開展高熱負荷材料試驗；

包層技術、中子能量慢化及能量提取、中子屏蔽及環保技術研究；

低活化結構材料試驗（TBM），氚增殖劑試驗研究，氚再生、防氚滲透實驗研究，氚回收及氚純化技術研究；

熱室技術，堆芯部件遠距離控制、操作、更換及維修技術研究。

ITER 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，第一次在地球上實現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。

ITER 計劃的成功實施，將全面驗證聚變能源開發利用的科學可行性和工程可行性，是人類受控熱核聚變研究走向實用的關鍵一步。

ITER計劃由美蘇首腦於1985年提出倡議，1988年開始正式設計，2001年7月完成ITER《工程設計最終報告》和部分關鍵技術的預研。

2001年11月，ITER計劃談判啟動。2003年初，中國加入談判。

2006年11月21日，中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國七方籤署ITER計劃的聯合實施協定及相關文件。談判成立ITER組織，總部設在法國。

各方分別承擔部件製造任務，ITER組織牽頭安裝調試；各方帶課題開展實驗研究；法國承擔退役工作。

ITER計劃分為建設（2007年11月-2025年12月）、運行（2026年1月-2037年10月）、去活（2037年11月-2042年9月）、退役（2042年10月）四個階段。

核聚變在中國

我國核聚變能研究開始於20 世紀60 年代初。從20 世紀70 年代開始，我國集中選擇了託卡馬克為主要研究途徑，先後建成並運行了CT-6、KT-5、HT-6B、HL-1、HT-6M 託卡馬克實驗裝置。

目前，我國的託卡馬克裝置主要有華中科技大學的J-TEXT 裝置、核工業西南物理研究院的HL-2M 裝置和中國科學院等離子體物理研究所的EAST 裝置。

我國磁約束聚變的近期、中期和遠期技術目標如下：

近期目標（2015—2021 年）：建立近堆芯級穩態等離子體實驗平臺，吸收消化、發展與儲備聚變工程實驗堆關鍵技術，設計、預研聚變工程實驗堆關鍵部件等；

中期目標（2021—2035 年）：建設、運行聚變工程實驗堆，開展穩態、高效、安全聚變堆科學研究；

遠期目標（2035—2050 年）：發展聚變電站，探索聚變商用電站的工程、安全、經濟性。

中國磁約束聚變發展路線圖

為了儘早地實現可控聚變核能的商業化，充分利用我國現有的託卡馬克裝置和資源，制定了一套完整的符合我國國情的中國磁約束聚變（MCF）發展路線示意圖。

未來十年，重點在國內磁約束的兩個主力裝置（EAST、HL-2M）上開展高水平的實驗研究。

EAST裝置目前基本完成了升級，研究能力和實驗條件有了大幅度的提高，可以開展大量的針對未來ITER裝置和下一代聚變工程堆穩態高性能等離子體研究，實現磁場穩定運行在3.5 T、等離子體電流1.0 MA，獲得400 s 穩定、可重複的高參數近堆芯等離子體的科學目標，成為能為ITER 裝置提供重要資料庫的國際大規模先進試驗平臺。

在未來幾年內，HL-2M 裝置將完成升級，具有良好的靈活性和可近性，進一步發展20~25 MW 的總加熱和電流驅動功率，著重發展高性能中性束注入（NBI）系統（8~10 MW）；增加電子迴旋、低雜波的功率，新增2 MW 電子迴旋加熱系統。

HL-2M 裝置利用獨特的先進偏濾器位型，重點開展高功率條件下的邊界等離子體物理研究，特別是探索未來示範堆高功率、高熱負荷、強等離子體與材料相互作用條件下，粒子、熱流、氦灰的有效排除方法和手段，與EAST裝置形成互補。

在「十三五」後期，2021年左右開始獨立建設2×105~1×106kW 的聚變工程實驗堆，在2035 年前後建成CFETR裝置。

CFETR裝置相較於目前在建的ITER裝置，在科學問題上主要解決未來商用聚變示範堆必需的穩態燃燒等離子體的控制技術，氚的循環與自持，聚變能輸出等ITER 裝置未涵蓋的內容；在工程技術與工藝上，重點研究聚變堆材料、聚變堆包層及聚變能發電等ITER 裝置上不能開展的工作；掌握並完善建設商用聚變示範堆所需的工程技術。

CFETR裝置的建設不但能為我國進一步獨立自主地開發和利用聚變能奠定堅實的科學技術與工程基礎，而且使得我國率先利用聚變能發電、實現能源的跨越式發展成為可能。

慣性約束聚變將某種形式的能量直接或間接地加載到聚變靶上，壓縮並加熱聚變燃料，在內爆運動慣性約束下實現熱核點火和燃燒。

基於脈衝功率技術的快Z 箍縮（fast Z-pinch）技術可以實現驅動器電儲能到Z 箍縮負載動能或X 射線輻射能的高效率能量轉換，能量較為充足，驅動器造價相對低廉，並有望實現驅動器重頻運行，將為驅動慣性約束聚變以及慣性聚變能提供可用的能量源。

我國已重點開展了Z 箍縮等離子體內爆動力學及其輻射源物理研究，並獲得了豐富的研究成果，Z-FFR 總體概念設計研究取得顯著進展。

聚變能源開發難度非常大，需要長期持續攻關。

我國要深入ITER 國際合作計劃，全面掌握聚變實驗堆技術；積極推進CFETR 主機關鍵部件研發，適時啟動CFETR 全面建設；推動Z 箍縮儘快實現點火，探索Z 箍縮驅動慣性約束聚變裂變混合堆，加強聚變新概念的跟蹤。

擴展閱讀：

核能技術方向研究及發展路線圖 |  中國工程院院刊

參考文獻：

高翔,萬元熙,丁寧,彭先覺.可控核聚變科學技術前沿問題和進展[J].中國工程科學,2018,20(3):25-31

背景簡介：本文2018年9月7日年發表於微信公眾號中國工程院院刊（人造小太陽之磁約束核聚變），風雲之聲獲授權轉載。

責任編輯：孫遠