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可控核聚变研究现状及未来展望 | 现代物理知识杂志

李建刚

中国科学院等离子体物理研究所

一
聚变基本原理

1. 基本原理

在探索宇宙奥秘与解决能源危机的双重驱动下，人类将目光投向了核聚变——这一被誉为“人造太阳”的终极能源解决方案。核聚变，作为自然界中恒星发光发热的基本原理，其能量释放巨大且几乎无放射性废物产生，理论上是清洁、高效、可持续的理想能源。然而，将这一自然现象转化为可控的地面应用，面临着一系列复杂而艰巨的科学技术问题和技术挑战。

核聚变，又称核融合、融合反应、聚变反应或热核反应，即两个较轻的核结合而形成一个较重的核和一个极轻的核(或粒子)的一种核反应形式，原理如图1 所示。质量小的原子，在一定条件下(如超高温和高压)，能让核外电子摆脱原子核的束缚，两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起，发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，中子虽然质量比较大，但是由于中子不带电，因此也能够在这个碰撞过程中逃离原子核的束缚而释放出来，大量电子和中子的释放所表现出来的就是巨大的能量释放。

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图1 聚变原理示意图

自然界存在多种聚变反应，主要的聚变反应都有轻核之间的相互反应，表1是目前主要的聚变反应。

表1 主要的轻核聚变反应过程

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（注释：此表中8核反应的主要过程应为：²H + ⁶Li → 2 ⁴He + 22.4 MeV）

聚变反应的条件极为苛刻，实现核聚变需要满足三个基本条件，即聚变反应劳逊条件(温度、密度、约束时间三重积)：高温、高密度和长约束时间保持聚变反应环境。为了克服原子核间的库仑斥力，实现核聚变，必须将物质加热至极高的温度。高密度意味着等离子体中的粒子数足够大，使得原子核之间的碰撞概率增加，从而提高聚变反应的速率。为了使核聚变反应持续进行并产生可观的能量，必须维持足够长的时间，这需要有效地约束等离子体。

在上述聚变反应方程式中，只有反应截面较大的过程才容易克服原子核间的库仑斥力，实现核聚变。图2 是几种反应的反应截面。表2 是对应聚变反应实现聚变的劳逊条件。

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图2 几种主要的聚变反应截面(D-D，D-3He，D-D，p-11B)以及最大反应截面所对应的温度(keV)

表2 几种主要的聚变反应以及实现聚变的劳逊条件

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从图2 中可以看出，D-T聚变反应截面最大，在温度10~50 keV 之间(对应1 亿到5 亿度，最大值为20 keV)。从表二中对应的发生聚变反应的劳逊条件为1021keV s/m3。其次是D-3He反应，对应反应截面为100 keV，劳逊条件为1023 keV s/m3，最难实现的是质子-硼(p-11B)反应，所需温度250 keV(25~50亿度)，劳逊条件为5×1024 keV s/m3。所以地球上目前最容易实现聚变条件的是D-T反应，其他方式困难非常大。虽然氢硼在自然界中很易获得，作为聚变燃料具有很大的优势，氢硼聚变反应产物为3 个氦He，避免了中子辐照对材料带来的损伤。但氢硼聚变反应在热核条件下达不到劳逊条件，其主要原因是：氢硼聚变反应过程中电子轫致辐射损失将超过聚变产生的能量，而氢硼聚变反应需要的极高温度和很强磁场产生的同步辐射功率损失进一步恶化了聚变反应的条件，损失的能量远大于加热的能量，目前尚无实现50 亿度(氢硼点火条件)加热方法。从科学技术两方面，氢硼路线都无法实现规模商用聚变发电。正是因为这一原理，世界各国大规模聚变国家研究计划都毫无例外地首选D-T 反应作为人类实现聚变能应用方式。

2. 聚变研究的几种主要方式

目前，全球范围内的聚变研究主要集中在磁约束聚变和惯性约束聚变两种主要的技术路径上。世界上的磁约束聚变装置主要有托卡马克、仿星器、磁镜三种类型；惯性约束聚变的主要方式是激光和Z箍缩。其中，磁约束聚变的最有代表性项目有国际热核聚变实验反应堆(ITER)，而惯性约束聚变的代表性项目则有美国的国家点火装置(NIF)。在实现劳逊条件方面，激光聚变发展最快，美国NIF装置实现四次点火(能量增益大于1)，最大聚变能量3.15 MJ，Q接近1.8。托卡马克D-T 聚变的参数最高是欧盟JET 装置，Q=0.65，最大聚变能量59 MJ。我国超导托卡马克EAST实现了超过一亿度可重复的400 秒高约束放电。图3 是过去50 年世界各国在聚变研究方面所取得的聚变三重积方面的进展。从图3 中可以看到激光NIF 参数最高，其次是托卡马克美国的TFTR装置。

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图3 各种聚变途径等离子体性能一览表

二
聚变研究的国内外发展现状

1. 托卡马克

托卡马克是20 世纪50 年代由苏联科学家发明的，在20 世纪90 年代三大托卡马克装置(欧洲JET、日本JT-60U、美国TFTR)就已达到或者接近劳逊条件，也就是核聚变反应功率与外部加热功率相当的条件，获得稳定、重复的高性能等离子体，在托卡马克上获得的归一化等离子体聚变增益因子已超过ITER 核聚变示范堆的设计要求，验证了托卡马克实现聚变的科学可行性，为实现稳态等离子体燃烧提供了充足的物理和技术基础。

在近百个托卡马克丰富的实验定标率基础上，开始了国际热核聚变实验堆ITER 计划。ITER 计划将集成当今国际受控磁约束核聚变研究的主要科学和技术成果，第一次在地球上实现能与未来实用聚变堆规模相比拟的受控热核聚变实验堆，解决通向聚变电站的关键问题，其目标是全面验证聚变能源和平利用的科学可行性和工程可行性。ITER具体的科学计划是在为期十年的第一阶段，通过感应驱动获得聚变功率500 MW、Q大于10、脉冲时间500 s 的燃烧等离子体；第二阶段，通过非感应驱动等离子体电流，产生聚变功率大于350 MW、Q大于5、燃烧时间持续3000 s 的等离子体，研究燃烧等离子体的稳态运行，这种高性能的“先进燃烧等离子体”是建造托卡马克型商用聚变堆所必需的。ITER计划的另一重要目标是通过建立和维持氘氚燃烧等离子体，检验和实现各种聚变工程技术的集成，并进一步研究和发展能直接用于商用聚变堆的相关技术。

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图4 国际热核实验堆ITER

近十年来，国内外托卡马克发展得都非常快，世界第一个全超导托卡马克东方超环EAST(见图5)已运行了近16 年，实现了1 MA，一亿度离子温度和1000 秒高参数运行三大科学目标。近年来，HL-3装置建成，实现了1 MA H-mode运行。韩国继我国之后建成了全超导托卡马克KSTAR，日本两年前建成世界最大的超导托卡马克JT-60SA。世界各大国除了紧密合作建设ITER，都有自己的下一部托卡马克示范堆发展的规划，托卡马克聚变能发展进入到提速阶段。

image.png 图5 东方超环EAST 全超导托卡马克

2. 仿星器

仿星器是一种利用外部线圈产生螺旋磁场约束等离子体的聚变实验装置，它的运行不需要等离子体电流，因此具有内在稳态和没有电流驱动不稳定性的优势。20 世纪80 年代准轴对称位形概念的提出，仿星器聚变途径得到了新的发展动力，陆续提出一些基于磁场位形优化的新概念，最近德国W7-X(图6)的实验验证了先进仿星器概念的可行性和科学性，获得的等离子体约束性能达到与托卡马克相当的水平，使其有可能成为第二种达到劳逊条件的磁约束聚变途径。理论方法和大规模计算能力的突破，一些新的具有精确对称性质的三维磁位形被发现，使得先进超导仿星器成为目前磁约束聚变研究领域最为活跃的前沿热点，也使先进超导仿星器成为极具竞争力的备选技术路线。

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图6 W7-X 超导仿星器

3. 激光聚变

激光聚变最突出的代表就是美国国家聚变点火装置NIF 装置(图7)。NIF 装置实现4 次热核聚变点火具有标志性意义，4 次点火分别利用2.05 MJ激光驱动能量，获得了3.15MJ(Q=1.5)的氘氚聚变放能、2.05 MJ激光驱动能量获得了3.88 MJ(Q=1.9)放能、1.9 MJ激光驱动能量获得了2.4 MJ(Q=1.3)放能、2.2 MJ 激光驱动能量获得了3.4 MJ(Q=1.5) 的放能。这些结果对理解激光与等离子体耦合、不稳定性抑制、内爆过程等重大科学问题研究具重要意义，对实验室模拟核武器物理研究也具有标志性意义。但对整个点火的过程的理解还需进一步深入，从而实现可重复的点火。 image.png

图7 美国国家聚变点火装置NIF装置

目前激光惯性约束聚变已进入点火，证明其科学可行性的攻坚时期，在不断取得显著进展的同时，又面临着如何进一步精准认识和有效控制高能量密度等离子体条件下流体力学不稳定性与激光等离子体参量不稳定性等复杂非线性过程的重大困难。国际同行和我国科学家正在同一赛道展开研究和竞争。

4. Z 箍缩聚变

直线箍缩装置(称为Z-pinch)是一种开端系统的聚变装置。就是在柱形放电管中通过强大的电流，来使其中的等离子体产生箍缩效应而受到压缩和加热，以形成高密度的灼热等离子体。基于脉冲功率技术的快Z 箍缩技术可以实现驱动器电储能到Z 箍缩负载动能或X射线辐射能的高效率能量转换，能量较为充足，驱动器造价相对低廉，并有望实现驱动器重频运行，将有可能为惯性聚变能提供可用的能量源。

20 世纪末，在美国圣地亚国家实验室20 MA的Z 箍缩装置上，产生了峰值功率280 TW、总能1.8 MJ的X射线辐射脉冲，获得了实验室等离子体中最强的X射线辐射源，电能到X射线的转换效率高达15%。中国工程物理研究院已形成了脉冲功率驱动器、Z箍缩物理理论与数值模拟、实验与诊断、负载制备、制靶技术等Z 箍缩方面的专业研究队伍，已经开始国家大科学工程50 MA Z箍缩装置的建设，预期建成后的设施国际领先，可以开展Z箍缩聚变科学可行性研究工作。

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图8 美国圣地亚国家实验室20 MAZ箍缩装置

聚变研究的最重要的目标就是实现聚变发电。对于未来聚变发电，不但要稳定、可靠、重复地实现高效点火，同时还要长时间地实现对燃烧等离子体进行约束和控制。而对聚变堆所需的燃烧等离子体长时间约束和稳定控制则难度更大。图9 是聚变各种途径活动的聚变等离子体三重积的数值和持续的时间。惯性约束尚未实现重频连续放电，磁约束聚变的结果显示，随着等离子体持续时间延长，等离子体的性能在不断下降，图9 中右上角是未来聚变实验堆和示范堆所需的三重积和持续时间。数据清楚地表明，我们目前与这个目标参数差距依然很大。

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图9 聚变各种途径最高参数进展

三
聚变研究的主要科学技术问题

聚变研究开展已超过半个世纪但依然没有攻破，其原因就是它面临一系列困难极大的科学技术问题和工程挑战。在科学方面，首先是聚变等离子体里边各种不稳定性的机理及其有效控制。无论是磁约束聚变，还是惯性约束，在等离子体里面都存在着大量的各种的不稳定性，这些不稳定性都会对等离子体的约束和性能造成巨大的危害。这依然是目前没有彻底解决的问题，主要就是对这些不稳定性机理的理解，以及根据这些理解对其进行有效的控制。针对聚变反应磁流体稳定性的问题，研究人员正在开发更为先进的等离子体诊断技术，用于测量和物理的理解。同时通过改进聚变装置的设计，增强磁场的均匀性和强度，可以更有效地限制高温等离子体不稳定性的发展，减少能量损失。同时，利用高精度的传感器和实时数据分析软件，能够对等离子体状态进行精确监控和快速调整，从而提高反应的稳定性。

第二是阿尔法粒子在达到点火条件以后对等离子体性能的影响。未来的聚变反应堆。特别是在Q>10 的情况下，阿尔法粒子所占的份额将超过80%，这些高能的粒子对等离子体的约束输运以及有效加热目前还没有开展过经过实验验证、尚未有完整的数据。虽然理论上讲以及我们一些实验的外推，在未来ITER=10 的情况下，阿尔法粒子是稳定的，但对于未来商用堆(Q>30)的情况下，阿尔法粒子所起的作用以及众多的非线性不稳定性，比如说波和粒子的相互作用，在机理上还不完全清楚。因此，建设相应的实验装置，开展实现高Q实验条件科学研究是下一段聚变研究的最主要的方向之一。

第三是在长时间D-T燃烧等离子体条件下，等离子体与第一壁材料的相互作用依然是没有经过实验验证的一个重要的难题。根据JET 托克马克D-T实验的结果，该装置分别用碳和钨作为第一壁材料约束性能差别很大。在钨材料条件下，等离子体性能下降很多。未来聚变堆使用钨材料对实现聚变反应更具挑战，尤其是在长时间尺度下，材料与等离子体的相互作用，钨杂质输运到等离子体对等离子体的性能退化起到重要的作用，这一长时间的相互作用的机理以及实验的结果尚不充分。这是未来任何一种途径建设聚变反应堆，都要面对的科学和技术问题。

在聚变堆建设的过程中，主要的工程技术挑战如下。

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