磁約束聚變能源具有安全、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)理想的戰(zhàn)略能源，可為“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)做出重大貢獻(xiàn)。磁約束聚變是利用磁場(chǎng)將氘和氚燃料以等離子體的形式約束并發(fā)生聚變反應(yīng)，被認(rèn)為有希望徹底解決人類(lèi)的能源問(wèn)題，也是中國(guó)核能發(fā)展的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)。當(dāng)前中國(guó)正在積極參加國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)的建設(shè)，支持國(guó)內(nèi)ITER專(zhuān)項(xiàng)的物理和工程技術(shù)研究，在吸收和消化ITER經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，自主設(shè)計(jì)以獲取聚變能源為目標(biāo)的中國(guó)聚變工程試驗(yàn)堆(CFETR)。聚變能源開(kāi)發(fā)難度很大，機(jī)遇和挑戰(zhàn)并存，需要長(zhǎng)期持續(xù)攻關(guān)。

能源短缺和環(huán)境污染等問(wèn)題使得開(kāi)發(fā)清潔能源成為迫切任務(wù)。與目前所使用的能源以及正在開(kāi)發(fā)和發(fā)展的清潔能源相比，磁約束聚變能源具有安全、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)理想戰(zhàn)略能源。因此，中國(guó)核能發(fā)展路線將發(fā)展核聚變技術(shù)作為長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)。

近年來(lái)，磁約束聚變領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展。目前世界各國(guó)聚變?cè)囼?yàn)裝置的研究結(jié)果表明，基于超導(dǎo)托卡馬克的磁約束聚變能開(kāi)發(fā)利用具有充分的科學(xué)可行性。當(dāng)今世界規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國(guó)際大科學(xué)工程國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃由歐盟、中國(guó)、韓國(guó)、俄羅斯、日本、印度和美國(guó)7個(gè)國(guó)家和地區(qū)合作承擔(dān)。ITER裝置已于2020年7月28日在法國(guó)的卡達(dá)拉舍啟動(dòng)安裝，ITER將集成當(dāng)今國(guó)際受控磁約束核聚變研究的主要科學(xué)和技術(shù)成果，第一次在地球上實(shí)現(xiàn)能與未來(lái)實(shí)用聚變堆規(guī)模相比擬的受控?zé)岷司圩儗?shí)驗(yàn)堆，解決通向聚變電站的關(guān)鍵問(wèn)題，如集成驗(yàn)證先進(jìn)托卡馬克運(yùn)行模式等科學(xué)問(wèn)題，和堆級(jí)磁體及其相關(guān)的供電與控制等工程技術(shù)問(wèn)題。

當(dāng)前，中國(guó)正在大力支持磁約束聚變界積極參加ITER的建設(shè)和實(shí)驗(yàn)，支持國(guó)內(nèi)配套物理和工程技術(shù)研究，支持在吸收消化ITER經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，自主設(shè)計(jì)以獲取聚變能源為目標(biāo)的中國(guó)聚變工程試驗(yàn)堆(CFETR)。目前，中國(guó)聚變工程試驗(yàn)堆的物理和工程概念設(shè)計(jì)已經(jīng)基本完成，將適時(shí)啟動(dòng)CFETR的全面建設(shè)。

一、 磁約束聚變領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

國(guó)際磁約束聚變領(lǐng)域研究進(jìn)展

磁約束聚變還處于探索階段，存在很多物理和工程技術(shù)方面的問(wèn)題需要解決。目前，國(guó)際磁約束聚變的主要研究?jī)?nèi)容是與ITER裝置相關(guān)的各類(lèi)物理與技術(shù)問(wèn)題。ITER計(jì)劃的科學(xué)目標(biāo)為集成驗(yàn)證先進(jìn)托卡馬克運(yùn)行模式，驗(yàn)證“穩(wěn)態(tài)燃燒等離子體”物理過(guò)程、聚變阿爾法粒子物理、燃燒等離子體控制、新參數(shù)范圍內(nèi)的約束定標(biāo)關(guān)系以及加料和排灰技術(shù)。ITER計(jì)劃的工程技術(shù)目標(biāo)有：堆級(jí)磁體及其相關(guān)的供電與控制技術(shù)研究;穩(wěn)態(tài)燃燒等離子體產(chǎn)生、維持與控制技術(shù)(即無(wú)感應(yīng)電流驅(qū)動(dòng)技術(shù))、堆級(jí)高功率輔助加熱技術(shù)、堆級(jí)等離子體診斷技術(shù)、等離子體位形控制技術(shù)、加料與除灰技術(shù)的研究;初步開(kāi)展高熱負(fù)荷材料試驗(yàn);包層技術(shù)、中子能量慢化及能量提取、中子屏蔽及環(huán)保技術(shù)研究;低活化結(jié)構(gòu)材料試驗(yàn)(TBM)，氚增殖劑試驗(yàn)研究，氚再生、防氚滲透實(shí)驗(yàn)研究，氚回收及氚純化技術(shù)研究;熱室技術(shù)，堆芯部件遠(yuǎn)距離控制、操作、更換及維修技術(shù)研究。因此，ITER計(jì)劃的成功實(shí)施，將全面驗(yàn)證聚變能源開(kāi)發(fā)利用的科學(xué)可行性和工程可行性，是人類(lèi)受控?zé)岷司圩冄芯孔呦驅(qū)嵱玫年P(guān)鍵一步。

ITER計(jì)劃將托卡馬克裝置的研究推向了高潮。國(guó)際上，美國(guó)、日本、歐盟、韓國(guó)等主要國(guó)家和地區(qū)都制定了詳細(xì)的聚變能源發(fā)展路線，一方面積極參與ITER計(jì)劃的建造和實(shí)驗(yàn)，吸收ITER技術(shù)和經(jīng)驗(yàn);另一方面，在各國(guó)建設(shè)和發(fā)展自己的下一代聚變商業(yè)示范堆(Demonstration power plant，DEMO)裝置并開(kāi)展與ITER配套的相關(guān)研究。例如歐盟的聚變發(fā)展路線分為近期、中期和長(zhǎng)期3個(gè)階段。近期，將在歐洲聯(lián)合環(huán)(JET)等現(xiàn)有裝置上開(kāi)展研究，包括參與建設(shè)ITER、支撐ITER的配套研究、概念設(shè)計(jì)DEMO裝置、在JET裝置上開(kāi)展氘氚實(shí)驗(yàn)等。中期，將參與ITER實(shí)驗(yàn)、開(kāi)展EU-DEMO裝置的工程設(shè)計(jì)、開(kāi)展未來(lái)反應(yīng)堆材料和關(guān)鍵技術(shù)研究等。長(zhǎng)期來(lái)看，計(jì)劃從ITER裝置獲得高性能等離子體和先進(jìn)技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)、建造EU-DEMO裝置、驗(yàn)證聚變電站的可行性，探索聚變商業(yè)化的路徑。目前規(guī)模最大的托卡馬克裝置歐洲聯(lián)合環(huán)于2021年12月21日通過(guò)氘氚聚變反應(yīng)產(chǎn)生了脈沖寬度5s、能量輸出59MJ的等離子體。ITER預(yù)計(jì)會(huì)從2035年開(kāi)始使用這樣的聚變?nèi)剂希鳭ET的最新實(shí)驗(yàn)是向ITER最終目標(biāo)邁出的重要一步。

國(guó)內(nèi)磁約束聚變領(lǐng)域研究進(jìn)展

中國(guó)自20世紀(jì)90年代開(kāi)始托卡馬克研究，先后建成運(yùn)行合肥超環(huán)(HT-7)、中國(guó)環(huán)流器二號(hào)(HL-2A)及東方超環(huán)(EAST)等裝置。2006年中國(guó)正式加入ITER項(xiàng)目，負(fù)責(zé)完成了ITER裝置多個(gè)重要部件的設(shè)計(jì)、制造與裝配任務(wù)。中國(guó)根據(jù)自己的國(guó)情，制定了中國(guó)磁約束聚變能發(fā)展路線圖(圖1)。中國(guó)磁約束聚變能的開(kāi)發(fā)將分為3個(gè)階段：第一階段，力爭(zhēng)在2025年推動(dòng)中國(guó)聚變工程試驗(yàn)堆立項(xiàng)并開(kāi)始裝置建設(shè);第二階段，到2035年建成中國(guó)聚變工程試驗(yàn)堆，調(diào)試運(yùn)行并開(kāi)展物理實(shí)驗(yàn);第三階段，到2050年開(kāi)始建設(shè)商業(yè)聚變示范電站。CFETR將著力解決一系列存在于ITER和DEMO之間的科學(xué)與技術(shù)挑戰(zhàn)，包括實(shí)現(xiàn)氘氚聚變等離子體穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，公斤級(jí)氚的增殖、循環(huán)與自持技術(shù)，可長(zhǎng)時(shí)間承受高熱負(fù)荷、高中子輻照的第一壁和先進(jìn)偏濾器材料技術(shù)等。合肥綜合性國(guó)家科學(xué)中心的“十三五”重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“聚變堆主機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)綜合研究設(shè)施”項(xiàng)目正在建設(shè)中，將瞄準(zhǔn)聚變堆主機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)研制，建設(shè)國(guó)際一流開(kāi)放性綜合測(cè)試和研究設(shè)施，這為中國(guó)掌握未來(lái)聚變堆必備的關(guān)鍵工程技術(shù)創(chuàng)造了有利條件。

圖1 中國(guó)磁約束聚變能發(fā)展技術(shù)路線

目前，國(guó)內(nèi)在積極參與ITER計(jì)劃的建造和實(shí)驗(yàn)，消化和吸收ITER技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，努力縮短與發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)差距。表1是中國(guó)EAST、CFETR裝置與ITER、韓國(guó)DEMO(K-DEMO)、日本DEMO(JA-DEMO)、歐盟DEMO(EU-DEMO)之間的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比。磁約束核聚變距離聚變能源的商業(yè)應(yīng)用還比較遠(yuǎn)。對(duì)磁約束聚變而言，實(shí)現(xiàn)大量聚變反應(yīng)所需的關(guān)鍵技術(shù)是加熱、約束(實(shí)現(xiàn)聚變)和“維持”(長(zhǎng)時(shí)間或平均長(zhǎng)時(shí)間的聚變反應(yīng))。未來(lái)的磁約束聚變裝置必須以長(zhǎng)脈沖或者連續(xù)方式運(yùn)行，以便獲得可控的聚變能量并穩(wěn)定輸出，這具有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。此外，聚變能源商業(yè)應(yīng)用前還面臨研制能耐高能中子輻照的材料，建立能夠?qū)崿F(xiàn)氚自持的燃料循環(huán)等諸多工程技術(shù)挑戰(zhàn)。

表1 中國(guó)EAST、CFETR裝置與ITER、韓國(guó)DEMO(K-DEMO)、日本DEMO(JA-DEMO)、歐盟DEMO(EU-DEMO)之間的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比

近年來(lái)，中國(guó)磁約束聚變能技術(shù)取得了一系列重要進(jìn)展。2021年5月28日，EAST裝置實(shí)現(xiàn)了可重復(fù)的1.2億度101s等離子體運(yùn)行和1.6億度20s等離子體運(yùn)行。2021年6月8日，EAST裝置總放電實(shí)驗(yàn)次數(shù)突破10萬(wàn)次。2021年12月30日晚，實(shí)現(xiàn)1056s的長(zhǎng)脈沖高參數(shù)等離子體運(yùn)行，這是目前世界上托卡馬克裝置高溫等離子體運(yùn)行的最長(zhǎng)時(shí)間。2023年4月12日，EAST成功實(shí)現(xiàn)了403s可重復(fù)的穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)脈沖高約束模式等離子體運(yùn)行，創(chuàng)造了托卡馬克裝置高約束模式運(yùn)行新的世界紀(jì)錄。EAST裝置創(chuàng)造的多項(xiàng)托卡馬克運(yùn)行的世界紀(jì)錄，標(biāo)志著中國(guó)在磁約束聚變研究領(lǐng)域引領(lǐng)國(guó)際前沿，也為中國(guó)自主建造聚變工程實(shí)驗(yàn)堆提供了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)。

磁約束聚變領(lǐng)域的新思想、新技術(shù)和新途徑

近年來(lái)，高溫超導(dǎo)強(qiáng)場(chǎng)磁體技術(shù)的突破形成了新的緊湊型聚變堆技術(shù)路線，不僅成本大大降低，更使研發(fā)周期大幅縮短。麻省理工學(xué)院(MIT)將緊湊型聚變堆評(píng)為2022年度十大突破性技術(shù)之一。市場(chǎng)資本的快速進(jìn)入進(jìn)一步加速了可控核聚變商業(yè)化項(xiàng)目進(jìn)程，也強(qiáng)勢(shì)帶動(dòng)了高溫超導(dǎo)強(qiáng)場(chǎng)磁體的市場(chǎng)需求。國(guó)際上代表性的有美國(guó)麻省理工學(xué)院的高溫超導(dǎo)緊湊型托卡馬克SPARC裝置和英國(guó)卡拉姆聚變能源中心負(fù)責(zé)的STEP裝置，目前均處于概念設(shè)計(jì)階段。國(guó)內(nèi)多家民營(yíng)企業(yè)，如新奧集團(tuán)、星環(huán)聚能、能量奇點(diǎn)等均開(kāi)展了相關(guān)研究。此外，懸浮偶極場(chǎng)磁約束裝置是磁約束等離子體的另一條新型技術(shù)路線，該裝置在聚變研究方向同樣具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

二、 CFETR物理與工程研究進(jìn)展

中國(guó)聚變工程試驗(yàn)堆是中國(guó)自主開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)的下一代聚變裝置，旨在彌補(bǔ)ITER和未來(lái)聚變堆之間的差距，已進(jìn)行了數(shù)輪總體工程設(shè)計(jì)。CFETR將分2個(gè)階段運(yùn)行：第一階段的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)50~200MW的聚變功率，聚變?cè)鲆鍽=1~5，氚增值率TBR>1.0，中子輻照效應(yīng)~10dpa;第二階段的目標(biāo)是聚變功率>1GW，聚變?cè)鲆鍽>10，在中子輻照效應(yīng)~50dpa的條件下進(jìn)行托卡馬克DEMO驗(yàn)證。CFETR裝置大半徑R=7.2m，小半徑a=2.2m，可以兼容第一階段和第二階段的目標(biāo)，最新CFETR裝置主機(jī)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 CFETR裝置主機(jī)

CFETR物理研究進(jìn)展

CFETR物理設(shè)計(jì)主要關(guān)注運(yùn)行模式的開(kāi)發(fā)及其在物理和工程約束下的優(yōu)化，通過(guò)一系列的計(jì)算和模擬開(kāi)發(fā)的運(yùn)行模式將用于預(yù)測(cè)聚變性能，探索和確定具有良好約束和磁流體動(dòng)力學(xué)(magnetohydrodynamic，MHD)穩(wěn)定性的運(yùn)行空間。在接近理想聚變性能的同時(shí)，評(píng)估和限制氦和其他雜質(zhì)粒子的比例，評(píng)估功率和粒子排出與所選偏濾器配置的兼容性，評(píng)估和控制第一壁和偏濾器的過(guò)渡和穩(wěn)定熱負(fù)荷，以保證裝置的安全。圍繞科學(xué)目標(biāo)所進(jìn)行的物理設(shè)計(jì)在集成模擬平臺(tái)OMFIT(One Modeling Framework for Integrated Tasks)上使用輸運(yùn)、輔助加熱、平衡以及臺(tái)基計(jì)算等相關(guān)程序，進(jìn)行自洽的邊界-芯部耦合的集成模擬，給出CFETR上自洽的等離子體運(yùn)行方案。在這個(gè)過(guò)程中，可提取出關(guān)于CFETR聚變性能的預(yù)測(cè)信息，工作流程如圖3所示。采用OMFIT集成模擬平臺(tái)設(shè)計(jì)出了混合運(yùn)行模式與完全非感應(yīng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行兩種長(zhǎng)脈沖運(yùn)行模式，以及相應(yīng)的統(tǒng)一的電流驅(qū)動(dòng)功率配比方案。

圖3 OMFIT集成模擬流程中工作流程

穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模式，即完全非感應(yīng)運(yùn)行模式。在完全非感應(yīng)運(yùn)行模式中所有的等離子電流(100%)都通過(guò)非感應(yīng)方法提供。這個(gè)運(yùn)行模式的設(shè)計(jì)中，通常要求有較高的自舉電流份額，這有利于降低對(duì)外部驅(qū)動(dòng)電流的需求，并在裝置參數(shù)確定的情況下，通過(guò)優(yōu)化運(yùn)行模式來(lái)獲得較高的聚變?cè)鲆妗Ｔ贑FETR的完全非感應(yīng)模式的設(shè)計(jì)中，通過(guò)使用有限的外部電流驅(qū)動(dòng)，控制電流剖面在徑向上的分布，獲得具有局部反剪切的安全因子剖面，改善芯部的粒子約束能力，從而形成了約束增強(qiáng)型內(nèi)部輸運(yùn)壘。表2是CFETR開(kāi)發(fā)的完全非感應(yīng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模式的0維關(guān)鍵參數(shù)，聚變功率范圍從100MW到大于1GW的DEMO水平。

ITER物理設(shè)計(jì)中，采用感應(yīng)電流(50%)和非感應(yīng)電流(50%)的混雜運(yùn)行方案，也是CFETR的選項(xiàng)之一。值得注意的是，在2種先進(jìn)運(yùn)行模式下，選擇較低的等離子體電流，可以使邊界安全系數(shù)更高，從而有利于避免長(zhǎng)脈沖運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生等離子體破裂，同時(shí)，輔助加熱功率和電流驅(qū)動(dòng)功率也不用過(guò)大。

CFETR工程研究進(jìn)展

CFETR設(shè)計(jì)主要包括13個(gè)方面：裝置布局與系統(tǒng)集成、等離子體物理集成設(shè)計(jì)、超導(dǎo)磁體與低溫系統(tǒng)、真空室與真空系統(tǒng)、裝置內(nèi)部部件(包層、偏濾器等)、等離子體加熱與電流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、診斷系統(tǒng)與CODAC(控制、數(shù)據(jù)存取和通信系統(tǒng))、電源系統(tǒng)與控制工程、燃料循環(huán)與廢物處理、輻射防護(hù)安全與RAMI(Reliability，Availability，Maintainability，Inspectability)、遙操作與維護(hù)系統(tǒng)、以及輔助系統(tǒng)及項(xiàng)目管理。目前“CFETR集成工程設(shè)計(jì)研究”項(xiàng)目(2017—2020)已經(jīng)結(jié)題，基本完成了全面詳細(xì)的工程設(shè)計(jì)。

“聚變堆主機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)綜合研究設(shè)施”(CRAFT)于2019年正式立項(xiàng)。CRAFT主體工程由聚變堆主機(jī)最具挑戰(zhàn)性的2大系統(tǒng)組成，分別為大型復(fù)雜的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)和極端工況下偏濾器系統(tǒng)。超導(dǎo)磁體研究系統(tǒng)包括材料綜合性能研究平臺(tái)、導(dǎo)體性能研究平臺(tái)、磁體性能測(cè)試平臺(tái)、環(huán)向場(chǎng)磁體、高溫超導(dǎo)磁體、中心螺管模型線圈磁體、低溫系統(tǒng)以及電源系統(tǒng)。偏濾器研究系統(tǒng)包括偏濾器等離子體與材料相互作用研究平臺(tái)、偏濾器部件工程測(cè)試平臺(tái)、偏濾器原型部件、全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置下偏濾器、1/8真空室及總體安裝系統(tǒng)、負(fù)離子源中性束注入系統(tǒng)、電子共振加熱系統(tǒng)、高場(chǎng)低雜波電流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、離子回旋加熱系統(tǒng)、遙操作系統(tǒng)以及總控系統(tǒng)。CRAFT項(xiàng)目瞄準(zhǔn)聚變堆主機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)研制，目標(biāo)是建設(shè)國(guó)際一流開(kāi)放性綜合測(cè)試和研究設(shè)施。目前CRAFT項(xiàng)目總體進(jìn)展順利，正按照既定計(jì)劃穩(wěn)步推進(jìn)，已全面進(jìn)入關(guān)鍵部件研制階段，部分已開(kāi)展安裝調(diào)試，取得了一批階段性亮點(diǎn)成果。除此之外，其他一些關(guān)鍵技術(shù)也在ITER專(zhuān)項(xiàng)的支持下得到了發(fā)展。

表2 CFETR穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模式關(guān)鍵參數(shù)(R=7.2m，a=2.2m，k=2)

三、結(jié)論

近年來(lái)，中國(guó)的磁約束聚變研究取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，物理實(shí)驗(yàn)成果和工程技術(shù)能力引領(lǐng)國(guó)際前沿。EAST裝置創(chuàng)造了多項(xiàng)托卡馬克運(yùn)行的世界紀(jì)錄;CFETR的物理和工程概念設(shè)計(jì)基本完成，將著力解決一系列存在于ITER和DEMO之間的科學(xué)與技術(shù)挑戰(zhàn);深度參與ITER計(jì)劃，中方承擔(dān)的ITER采購(gòu)包質(zhì)量和進(jìn)度位居合作七方之首。此外，高溫超導(dǎo)材料的快速發(fā)展也為磁約束聚變的發(fā)展帶來(lái)了機(jī)遇。

總體而言，磁約束聚變能源開(kāi)發(fā)難度很大，國(guó)家需要長(zhǎng)期持續(xù)支持聚變領(lǐng)域的發(fā)展。建議中國(guó)繼續(xù)深入ITER國(guó)際合作計(jì)劃，全面掌握未來(lái)聚變堆必備的關(guān)鍵物理與工程技術(shù);積極推進(jìn)CFETR主機(jī)關(guān)鍵部件研發(fā)，適時(shí)啟動(dòng)CFETR全面建設(shè)。同時(shí)，繼續(xù)關(guān)注國(guó)際聚變能研究的新思想、新技術(shù)和新途徑，助力能源強(qiáng)國(guó)目標(biāo)的早日實(shí)現(xiàn)。

作者簡(jiǎn)介：高翔，中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所，研究員，研究方向?yàn)榫圩兌盐锢碓O(shè)計(jì)與先進(jìn)磁約束裝置;萬(wàn)元熙(通信作者)，中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所，中國(guó)工程院院士，研究員，研究方向?yàn)榇偶s束核聚變。