馮開明（核工業(yè)西南物理研究院，四川　成都　610041）

可控核聚變與國際熱核實驗堆(ITER)計劃

馮開明（核工業(yè)西南物理研究院，四川成都610041）

摘要：介紹了我國能源的基本情況，核聚變能和可控核聚變的基本原理，以及國際熱核聚變實驗堆ITER的歷史與現(xiàn)狀。對我國磁約束核聚變的研究發(fā)展歷程做了簡要的回顧。

關(guān)鍵詞：可控核聚變；ITER計劃；托卡馬克

能源是社會經(jīng)濟發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，隨著社會的發(fā)展和人類文明的進步，人類對能源的需求也越來越大。從化石燃料提供的能源來看，地球上的化石燃料資源有限，煤儲量有可能維持200年左右，石油、天然氣僅能維持幾十年，所以從長遠來看，核能將是繼石油、煤和天然氣之后的主要能源，人類將從“石油文明”走向“核能文明”。目前我國正在運行的核電站都是核裂變電站，核裂變雖然能產(chǎn)生巨大的能量，但遠遠比不上核聚變。另外，裂變堆的核燃料蘊藏極為有限，而且存在棘手的廢物處置問題。因此，核聚變能被稱為人類未來的永久能源。

從我國巨大的能源需求、資源的限制、環(huán)境的壓力和核聚變研究進展來看，發(fā)展聚變能是改善未來能源結(jié)構(gòu)，推動在半世紀(jì)實現(xiàn)能源順利換代的根本出路。經(jīng)過近半個世紀(jì)的努力，國際聚變研究已經(jīng)取得長足的進展，由歐盟、中、日、俄、美、韓、印七方參與的國際熱核聚變實驗堆ITER計劃，已經(jīng)進入建設(shè)階段。為此，國家有關(guān)部門已經(jīng)將磁約束核聚變研究列入國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃，推動我國核聚變研究的發(fā)展。

1　核聚變能是理想的能源

太陽的能量來自輕核聚變反應(yīng)。太陽每秒將6.57億t氫聚變成氦，虧損的質(zhì)量轉(zhuǎn)化成巨大的太陽能，成為支持太陽系統(tǒng)內(nèi)一切活動的能量源泉。氘-氚聚變反應(yīng)將釋放巨大的能量，一升海水中含30 mg氘，通過聚變反應(yīng)可釋放出的能量相當(dāng)于300多升汽油的能量，而反應(yīng)產(chǎn)物是無放射性的。這就是說，1 L海水可產(chǎn)生相當(dāng)于300 L汽油的能量。一座100萬kW的核聚變電站，每年耗氘量只需304 kg。據(jù)估計，天然存在于海水中的氘有45億t，把海水中的氘通過核聚變轉(zhuǎn)化為能源，按目前世界能源消耗水平，足以滿足人類未來幾十億年對能源的需求。但是在地球上實現(xiàn)持續(xù)的輕核聚變反應(yīng)，要求相當(dāng)苛刻的條件。它要求產(chǎn)生熱核聚變的等離子體維持足夠高的溫度、密度的約束時間，達到勞遜條件（溫度×密度×能量約束時間，或稱聚變?nèi)朔e）。例如，實現(xiàn)氘-氚聚變反應(yīng)的條件是：等離子體溫度達2億℃，同時粒子數(shù)密度達1020m-3，能量約束時間超過1 s。在這樣極高的溫度下，所有物質(zhì)都變成完全電離的氣體-等離子體。利用強磁場可以很好地約束帶電粒子，將等離子體約束在一種特殊稱為真空室的磁容器中，并將聚變?nèi)剂霞訜嶂翑?shù)億攝氏度高溫，以實現(xiàn)可控聚變反應(yīng)并獲得聚變能。由于實現(xiàn)可控聚變的條件十分苛刻，因此，聚變能源的開發(fā)和應(yīng)用被認(rèn)為是人類科學(xué)技術(shù)史上遇到的最具挑戰(zhàn)性的特大科學(xué)工程。

核聚變能又是一種潔凈安全的能源。聚變?nèi)剂鲜前匆欢ㄋ俣群蛿?shù)量加入，任何時候在反應(yīng)室內(nèi)的聚變?nèi)剂蠑?shù)量都不大，在進行核聚變反應(yīng)時，即使失控也不會產(chǎn)生嚴(yán)重事故。此外，它不產(chǎn)生二氧化碳和二氧化硫等有害氣體，也不會像核裂變那樣產(chǎn)生大量裂變產(chǎn)物，特別是半衰期長的錒系元素。核聚變的反應(yīng)產(chǎn)物是無放射性的惰性氣體氦，所產(chǎn)生的放射性物質(zhì)只是可能泄漏的微量氚和半衰期很短的活化材料。因此，聚變能將是人類可持續(xù)發(fā)展的最理想的清潔而又資源無限的新能源。

2　可控核聚變研究進展

實現(xiàn)受控核聚變有磁約束和慣性約束兩種途徑。國際磁約束核聚變研究始于20世紀(jì)50年代，經(jīng)歷了從最初的少數(shù)幾個核大國進行秘密研究階段，到50年代末的技術(shù)解密，再到60年代后世界范圍內(nèi)很多國家合作參與的研究階段。在磁約束受控核聚變途徑的探索方面，也經(jīng)歷了從快箍縮、磁鏡、仿星器等途徑。從80年代開始，主要集中于以托卡馬克裝置為主的研究途徑上。雖然從發(fā)展聚變堆的角度來看，托卡馬克目前仍有一些關(guān)鍵問題需要通過實驗加以驗證，公認(rèn)的是只有它才具備建造實驗性聚變反應(yīng)堆的基本條件。圖1為托卡馬克裝置的主要部件示意圖[1]。

圖1　托卡馬克裝置的主要部件示意圖Fig.1　Main components of Tokamak device

20世紀(jì)80年代以來， 國際磁約束受控核聚變研究取得了顯著進展，一批大型和超大型托卡馬克裝置（美國的TFTR、歐共體的JET、日本的JT-60U、蘇聯(lián)的T-15等)相繼建成并投入運行。多項聚變工程關(guān)鍵技術(shù)迅速發(fā)展、高溫等離子體的參數(shù)逐漸提高， 主要物理參數(shù)已接近達到為實現(xiàn)受控核聚變所要求的數(shù)值。在典型的裝置上，聚變?nèi)剂弦芽杀患訜岬?億～4億℃的高溫，表征聚變反應(yīng)率最重要參數(shù)（聚變?nèi)朔e）已達到1.5×1021keV/m3·s，人類已經(jīng)看到了實現(xiàn)聚變能源的曙光。

進入90年代， 國際受控核聚變研究取得了突破性的進展。1991年末，人類首次用可控的方法在歐洲共同體聯(lián)合環(huán)JET裝置上進行了首次氘-氚放電實驗，獲得聚變能達到3.4 MJ，聚變功率達到1.7 MW。隨后， 在美國普林斯頓大學(xué)的TFTR裝置上的氘-氚放電也獲得成功， 其輸出的功率更高， 達到了10.7 MW，獲得聚變能6.5 MJ。1997年JET裝置創(chuàng)下了輸出聚變功率16.1 MW、聚變能21.7 MJ的世界紀(jì)錄。1998年，在日本原子能研究所的JT-60U托卡馬克裝置上進行的D-D反應(yīng)的實驗，其等效的氘-氚聚變反應(yīng)的能量增益因子Q（能量增益因子定義為，聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量與輸入裝置能量之比）已達到1.25。這些突破性進展宣告了以托卡馬克為代表的磁約束核聚變的科學(xué)可行性在實驗上已經(jīng)得到了證實。

在進行磁約束研究的同時，20世紀(jì)60年代以來，由于激光的出現(xiàn)，慣性約束核聚變途徑也在探索之中。隨著近年來大功率激光技術(shù)、粒子束技術(shù)的發(fā)展，慣性約束聚變研究也取得了重大的進展。關(guān)于核聚變的“點火”問題，激光技術(shù)的發(fā)展，使可控核聚變的“點火”難題有了解決的可能。目前，世界上最大激光輸出功率達100萬億瓦，足以“點燃”核聚變。除激光外，利用超高額微波加熱法，也可達到“點火”溫度。世界上不少國家都在積極研究受控?zé)岷朔磻?yīng)的理論和技術(shù)，美國、俄羅斯、日本和西歐國家的研究已經(jīng)取得了可喜的進展。

受控核聚變研究的最終目標(biāo)是建成資源極其豐富、經(jīng)濟性能優(yōu)異、安全可靠、無環(huán)境污染的核聚變電站， 使之成為人類未來的永久能源。國際上將受控核聚變研究的發(fā)展分為6個階段[2]， 即：（1）原理性研究階段；（2）規(guī)模實驗階段；（3）點火裝置試驗階段（氘-氚燃燒實驗)；（4）反應(yīng)堆工程物理實驗階段；（5）示范聚變電站階段；（6）商用聚變電站階段。國際聚變界正處在點火裝置即氘-氚燃燒實驗階段，并逐步向聚變反應(yīng)堆工程物理實驗階段過渡。由國際原子能機構(gòu)（IAEA）主持的等離子體物理與受控?zé)岷司圩儑H會議于1996年更名為聚變能國際會議，這標(biāo)志著核聚變研究已經(jīng)從基礎(chǔ)科學(xué)研究轉(zhuǎn)入實質(zhì)性聚變能源戰(zhàn)略研究和反應(yīng)堆原理性研究與發(fā)展階段。

國際聚變界在托卡馬克裝置穩(wěn)步前進的同時，正在努力探索大幅度提高聚變電站經(jīng)濟競爭力的途徑。開展密實型堆芯等離子體約束的研究，如低徑比托卡馬克，反場箍縮等位形。建造了一批兆安離子體電流級的低徑比托卡馬克裝置，開展大幅度提高等離子體芯部和包層等核島的功率密度的研究。如美國自1998年開始，執(zhí)行兩個為期三年，多個研究機構(gòu)合作的項目：先進功率提取研究和面向等離子體的先進液體表面研究，目的是提出并進行各種創(chuàng)新性概念的評估，選出可行的方案，為隨后的研究和發(fā)展計劃做好準(zhǔn)備。

3　國際熱核實驗堆ITER計劃

3.1ITER計劃概述

由于在托卡馬克聚變研究的道路上取得了穩(wěn)步的實質(zhì)性進展，1985年，美蘇首腦在日內(nèi)瓦峰會上提出建造國際熱核聚變實驗堆（International Thermo-nuclear Experiment Reactor， ITER）。此后在歐、美、日、俄四方科學(xué)家與工程師的合作努力下，于1998年完成了ITER的工程設(shè)計（Engineering Design Activity， EDA），當(dāng)時的預(yù)算為100億美元[1]。其間，ITER大量研究和發(fā)展工作、一系列原型部件模塊的成功制造和實驗，論證了實驗性聚變堆的工程技術(shù)可行性。在ITER的長期設(shè)計過程中，托卡馬克實驗不斷取得進展，原設(shè)計依據(jù)的較低的約束模式逐步被當(dāng)前大中型實驗裝置棄用，更好的高約束運行模式在近幾年的實驗中逐漸被了解和掌握，ITER計劃被要求改進設(shè)計。改進設(shè)計的目標(biāo)是100億元的建造費用顯得過高，需要研究降低造價。同時，又能達到所需的物理要求，解決建堆有關(guān)的關(guān)鍵問題。自1998年夏天以來，ITER計劃開展了為期三年的ITER降低費用設(shè)計研究，稱為ITER-RC。美國由于其國內(nèi)聚變政策調(diào)整，于1998年宣布退出ITER計劃。此后，歐、日、俄三方仍然全力推進ITER的改進設(shè)計，到2001年完成了基于新運行模式的工程設(shè)計及大部分部件與技術(shù)的研發(fā)工作。新的設(shè)計稱為ITER-FEAT（Fusion Energy Advanced Tokamak），新設(shè)計在維持ITER原有的主要物理與工程目標(biāo)的條件下，經(jīng)費被降到約46億美元，預(yù)計的建設(shè)期為10年，運行實驗期為20年。

將ITER建在何處，一直是一個十分棘手的政治和技術(shù)問題。當(dāng)時參與ITER計劃的六方為此進行了長達兩年的艱苦談判，最后六方于2005年6月達成了將ITER建造在法國卡達拉奇的協(xié)議并同意了ITER新設(shè)計和部件預(yù)研。這六方中，除歐、日、俄三方外，中國、美國和韓國分別在2003年的1月、2月和7月加入ITER計劃的談判。隨后，印度也于2005年底加入ITER計劃。ITER計劃的七方于2006年6月在布魯塞爾簽署了合作建造ITER的政府間協(xié)議，根據(jù)ITER計劃的最新進展，按原定的計劃ITER將在2016年前建成并投入實驗。ITER裝置的概貌和基本設(shè)計參數(shù)如圖2和表1所示。

圖2　ITER裝置示意圖[3]Fig.2　Sketch of ITER

由國際上主要核國家的聚變界參與，歷時10多年，耗資近15億美元啟動的ITER項目，將集成當(dāng)今國際受控磁約束核聚變研究的主要科學(xué)和技術(shù)成果，第一次在地球上實現(xiàn)能與未來實用聚變堆規(guī)模相比擬的受控?zé)岷司圩儗嶒灦?，解決通向聚變電站的關(guān)鍵問題。ITER計劃的成功實施，將全面驗證聚變能源開發(fā)利用的科學(xué)可行性和工程可行性，是人類受控?zé)岷司圩冄芯孔呦驅(qū)嵱玫年P(guān)鍵一步。

需要指出的是，ITER計劃的七方在參與該工作的同時，都有各國獨立的核聚變研究計劃，力爭在國際核聚變開發(fā)研究中占有一定的位置[5]。

表1　ITER裝置的基本參數(shù)[4]Table 1　Main parameters of ITER device

3.2ITER的科學(xué)和工程目標(biāo)

近40年的世界性研究和探索使托卡馬克途徑的熱核聚變研究已基本趨于成熟。但是，在達到商用目標(biāo)之前，基于托卡馬克的聚變能研究和技術(shù)基礎(chǔ)，經(jīng)過ITER六方專家的技術(shù)評估和論證，認(rèn)為上述科學(xué)與工程技術(shù)目標(biāo)是完全能夠?qū)崿F(xiàn)的（見圖3）。

圖3　已完成的ITER最關(guān)鍵部件的技術(shù)研發(fā)[4]Fig.3　Completed R&D of key components

ITER計劃采納了40年來全世界核聚變研究的豐碩成果，設(shè)計的聚變功率50萬kW，等離子體持續(xù)時間大于500 s。ITER對聚變研究具有重大的作用，它將綜合演示聚變堆的工程可行性，進行長脈沖或穩(wěn)態(tài)運行的高參數(shù)等離子體物理實驗。各國科學(xué)家寄希望于這座核聚變堆在受控核聚變攻關(guān)中實現(xiàn)質(zhì)的飛躍，證實受控核聚變能的開發(fā)在技術(shù)上和工程上都具有現(xiàn)實性。如果實驗堆ITER如期建成， 則一座電功率為百萬千瓦級的示范核聚變電站可望在2025年前后建成，進而在2050年左右實現(xiàn)聚變電站的商用化。

3.3ITER實驗包層模塊計劃

ITER是具有500 MW聚變功率、可持續(xù)燃燒500 s的、世界上第一個熱核聚變實驗堆。在熱核聚變環(huán)境下，它將為人類發(fā)展聚變能提供前所未有的物理和工程實驗平臺。在其目標(biāo)中，驗證聚變?nèi)剂想霸鲋澈妥猿旨夹g(shù)，是建造ITER的最重要的工程實驗?zāi)繕?biāo)之一。

ITER包層分為屏蔽包層和實驗包層兩種。其中屏蔽包層主要用于裝置的輻射防護，在已經(jīng)完成的ITER-FEAT設(shè)計中有較完善的包層設(shè)計和技術(shù)研發(fā)。而實驗包層模塊（Test Blanket Module，TBM)，主要用于對未來商用示范聚變堆（DEMO)產(chǎn)氚和能量獲取技術(shù)進行實驗，同時用于對設(shè)計工具、程序、數(shù)據(jù)等的驗證和在一定程度上對聚變堆材料進行綜合測試。實驗包層由各參與方提出自己的模塊設(shè)計、技術(shù)研發(fā)與實驗方案[6]。

在ITER裝置上設(shè)置了三個用于產(chǎn)氚實驗包層的窗口。早期的ITER-TBM被稱為產(chǎn)氚實驗包層模塊，只在ITER的D-T運行階段投入實驗。后來改稱為實驗包層模塊，期望在ITER運行的第一天投入實驗。在ITER的不同運行階段（H-H、D-D、D-T）安放不同的實驗包層模塊，依次進行電磁、熱工水力、氚增殖和整體性能的實驗。

根據(jù)國家聚變能源發(fā)展戰(zhàn)略，中國ITER計劃有關(guān)方面已經(jīng)確定：中國將全面參與ITER產(chǎn)氚實驗包層模塊計劃，并在ITER裝置上進行氦冷鋰陶瓷氚增殖劑的產(chǎn)氚實驗包層模塊（TBM）實驗，中國固態(tài)氚增殖劑TBM將安裝在ITER的二號實驗窗口內(nèi)進行實驗[4]。目前，由核工業(yè)西南物理研究院牽頭正在進行的氦冷固態(tài)ITER-TBM的設(shè)計與前期技術(shù)研發(fā)工作（見圖4 )[7]，該項目已被國家列入ITER計劃重大專項中。實施TBM計劃將為在我國發(fā)展聚變示范堆DEMO，特別是包層技術(shù)奠定堅實的基礎(chǔ)。

4　我國核聚變進展歷程

4.1托卡馬克實驗

1984年前，我國核聚變研究主要以物理和技術(shù)探索為主，國內(nèi)先后建成了二十幾臺不同類型的實驗裝置，開展了一系列的實驗研究。

1984年以后，我國核聚變研究取得了很大的發(fā)展，托卡馬克成為主要研究途徑。核工業(yè)西南物理研究院是我國最早從事核聚變的研究基地，中國環(huán)流器一號（HL-1）裝置于1984年在該院建成并投入運行（見圖5）。經(jīng)過8年的運行實驗達到了預(yù)期目標(biāo)，主要進行兆瓦級二級加熱、電流驅(qū)動、多發(fā)彈丸注入加料、偏壓孔欄等單項及組合實驗研究，在強輔助加熱條件下，對等離子體的品質(zhì)參數(shù)、約束性能和邊緣等離子體的特性等進行了物理實驗研究，達到指標(biāo)分別為Ip=200 kA，Ti=0.87 keV，Te=1.8 keV，ne=1.1×1020m-3，放電時間達到1.6 s。HL-1于1992年改建成HL-1M，1995年通過部級驗收，在加熱功率、位移控制、壁處理和診斷手段上都作了重大改進和提高，放電時間4 s，BT=2.8 T，ne=8×1019m-3，Ip=320 kA，其參數(shù)達到國際上同類型規(guī)模裝置的先進水平。

圖4　中國固態(tài)氚增殖劑ITER-TBM示意圖Fig.4　Chinese solid breeder TBM

圖5　中國環(huán)流器一號（HL-1）Fig.5　HL-1 Tokamak device

“九五”期間，中國環(huán)流器二號A（HL-2A）裝置通過國家立項建造（見圖6），2002年建成并成功投入實驗運行。HL-2A裝置是我國第一個具有偏濾器位形的大型托卡馬克裝置，目前裝置放電參數(shù)達到等離子體電流400 kA、磁場強度2.65 T、等離子體存在時間2 960 ms。

圖6　中國環(huán)流器二號A裝置（HL-2A）Fig.6　HL-2A Tokamak device

中國科學(xué)院等離子體物理研究所也是我國核聚變研究基地之一，主要從事磁約束等離子體科學(xué)基礎(chǔ)研究，先后建成了HT-6B、HT-6M托卡馬克裝置和我國第一個超導(dǎo)托卡馬克HT-7裝置（見圖7）。HT-7是目前世界上正在運行的4個超導(dǎo)托卡馬克裝置之一。在HT-7超導(dǎo)托卡馬克裝置上開展了眾多高溫等離子體物理基礎(chǔ)和工程技術(shù)研究，取得了多項具有國際水平的研究成果。中科院等離子體所目前研究的側(cè)重點為穩(wěn)態(tài)（超導(dǎo)）技術(shù)與物理，通過國際合作和國家的大力支持，成功開始了超導(dǎo)托卡馬克的研究計劃。這一研究計劃包括HT-7超導(dǎo)托卡馬克和EAST大型非圓截面超導(dǎo)托卡馬克。

圖7　超導(dǎo)托可馬克裝置（HT-7）Fig.7　HT-7 superconducting Tokamak device

中國科技大學(xué)、清華大學(xué)、中科院北京物理所、華中科技大學(xué)、北京科技大學(xué)等高校和科研機構(gòu)在核聚變研究領(lǐng)域的側(cè)重點為核聚變與等離子體物理新概念探索性和基礎(chǔ)性研究，培養(yǎng)聚變?nèi)瞬拧?/p>

目前，以正在運行的中國環(huán)流器二號A（HL-2A）和EAST（見圖8）兩個聚變裝置為代表，標(biāo)志著我國磁約束核聚變研究已經(jīng)躋身于世界中等規(guī)模實驗裝置的行列，綜合實力和科學(xué)技術(shù)達到和接近了國際水平，大大提高了中國聚變研究在國際上的地位，為世界核聚變研究做出應(yīng)有的貢獻。

圖8　超導(dǎo)托卡馬克EASTFig.8　EAST superconducting Tokamak device

我國磁約束聚變研究在跟蹤發(fā)展、不斷創(chuàng)新上做出有自己特色的物理實驗和研究成果，并在磁約束聚變研究裝置與裝備、廣泛加強國際合作、培養(yǎng)跨世紀(jì)人才等諸多方面已具規(guī)模。

4.2聚變堆設(shè)計與工藝

在國際上，開展聚變-裂變混合堆的設(shè)計研究，是中國磁約束聚變能發(fā)展的另一個特色。利用遠低于純聚變堆參數(shù)的聚變堆芯做中子源，在包層中增殖裂變?nèi)剂匣蛘咿D(zhuǎn)化處理裂變堆產(chǎn)生的長壽命放射性廢物，構(gòu)成放射性潔凈核能新體系?；旌隙咽蔷圩兡艿闹虚g應(yīng)用（或稱非電應(yīng)用），它既可為發(fā)展純聚變堆提供經(jīng)驗和技術(shù)基礎(chǔ)，又可作為增殖裂變能資源、減少裂變廢物的工具。在國家“863”計劃的支持下，核工業(yè)西南物理研究院和中科院等離子體物理所進行了長期的混合堆的設(shè)計研究，先后完成了實驗混合堆的詳細概念設(shè)計和一些關(guān)鍵部件的工程概要設(shè)計，與此同時各項研發(fā)工作在不斷取得進展。

自20世紀(jì)80年代中期以來，核工業(yè)西南物理研究院先后完成托卡馬克工程試驗混合堆系列概念設(shè)計（TETB、TETB-II、TETB-III）和托卡馬克商用混合堆概念設(shè)計（TCB）?！鞍宋濉逼陂g，完成“實驗混合堆詳細概念設(shè)計的中間報告和總報告”?！熬盼濉逼陂g，完成實驗混合堆（FEB-E）工程堆概要設(shè)計（見圖9）。此外，西南物理研究院還先后完成了商用聚變堆（STR）、D-3He先進燃料聚變堆、聚變-嬗變堆的概念設(shè)計研究。2001—2005年，完成了緊湊型聚變實驗堆（CFER-ST）的工程概念設(shè)計研究。

圖9　實驗混合堆FEB-E模型圖Fig.9　Model of FEB-E design

中國的混合堆研究成果在國際上產(chǎn)生了廣泛的影響。開始時，西方國家以核擴散為由，反對這一研究計劃?，F(xiàn)在，混合堆在核能中的重要性已得到國際聚變界越來越多的認(rèn)同和支持。

國際上處于聚變研究前列的國家已經(jīng)從過去單一的設(shè)計轉(zhuǎn)移到結(jié)合與聚變堆建造相關(guān)的工程設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù)的研究，研發(fā)了整套比較成熟的設(shè)計軟件。ITER計劃是國際上聚變堆設(shè)計的成功范例。我國雖然已具有較好的聚變堆設(shè)計研究基礎(chǔ)， 但在聚變堆工程設(shè)計平臺和完善的設(shè)計體系等方面還有一定的差距。

在聚變堆材料與工藝方面，先后開展了先進的聚變堆材料（釩合金和第活性鐵素體鋼）與先進的液態(tài)偏濾器/限制器關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)研究；解決了合金高溫?zé)峒庸み^程中的保護問題、雜質(zhì)有效控制問題、性能優(yōu)化問題和氫脆行為評價問題。開展了高純鎢和鎢涂層制備工藝的探索、高熱負(fù)荷性能實驗，來研究裂紋在涂層中的形成和擴展機制和提出獲得高性能涂層的途徑的實驗研究。先后建成了液態(tài)金屬（鈉-鉀）實驗回路（見圖10）和改進的液態(tài)金屬（鉀-銦-錫）實驗回路[9]，實驗研究了液態(tài)金屬包層/自由表面射流的MHD效應(yīng)的可行性問題。在聚變堆工藝與材料研究方面， 國際上已進入材料工程可行性研究階段，我國基本處于基礎(chǔ)性研究階段，缺少大型的、綜合性的聚變堆工藝與材料實驗測試平臺。

圖10　液態(tài)金屬實驗回路（LMEL）Fig.10　Liqid matel experiment loop (LMEL)

4.3DEMO發(fā)展戰(zhàn)略

中國已有40余年受控核聚變研究發(fā)展歷史，長期堅持以托卡馬克為主要發(fā)展方向。目前在兩大托卡馬克裝置HL-2A和HT-7上開展國際前沿物理研究，取得了令國際聚變界矚目的成就。在國家“863計劃”長達15年（1986—2000年）的支持下，中國的聚變堆研究取得了長足的進步，先后完成了不同堆型（磁鏡、托卡馬克）、不同用途（混合堆、工程實驗堆、商用堆、D-3He 聚變堆）的托卡馬克聚變堆系列設(shè)計研究[8]。同時，中國制定了“熱堆-快堆-聚變堆”三步走的核能發(fā)展的基本戰(zhàn)略。另外，我國自參加ITER計劃談判以來，已經(jīng)承擔(dān)了一批ITER工程研制任務(wù)，全面參與ITER實驗包層模塊（TBM）計劃。這些成就為發(fā)展我國的示范聚變堆DEMO奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

根據(jù)我國核能發(fā)展長期戰(zhàn)略，發(fā)展DEMO的基本策略的建議是[10]：

（1）利用國內(nèi)現(xiàn)有的聚變實驗裝置，如HL-2A、HT-7、EAST和升級裝置，加強等離子體物理研究；

（2）加強國內(nèi)聚變堆技術(shù)研究和基礎(chǔ)技術(shù)實驗平臺與人才隊伍建設(shè)；

（3）全面參與ITER計劃，吸收ITER設(shè)計經(jīng)驗，承擔(dān)ITER研制任務(wù)；掌握聚變堆設(shè)計、建造關(guān)鍵技術(shù)；

（4）加強與DEMO設(shè)計活動相關(guān)的國際合作（IEA，IAEA合作組織）；

（5）參與ITER TBM計劃，開展聚變DEMO的前期設(shè)計與相關(guān)技術(shù)預(yù)研工作；

（6）加入國際聚變材料輻照試驗裝置IFMIF（International Fusion Materials Irradiation Facility，IFMIF）計劃。

我國DEMO聚變堆發(fā)展路線的設(shè)想與預(yù)計的時間表如圖11所示。根據(jù)我國國情，圖11中工程實驗聚變堆（ETR）的發(fā)展將可作為從ITER到DEMO的過渡階段。國際上，歐洲提出了基于ITER技術(shù)的發(fā)展聚變能源的“快車道”（fast track）計劃，從ITER直接過渡到商用聚變堆的技術(shù)路線。美國提出的聚變能源發(fā)展戰(zhàn)略是在ITER和DEMO之間，需要建造一個部件實驗裝置CTF（Component Test Facility， CTF），解決發(fā)展DEMO的關(guān)鍵工程技術(shù)問題[5]。

圖11　中國DEMO聚變堆發(fā)展時間表[9]Fig.11　Proposed schedule of China DEMO

5　結(jié)論

經(jīng)過半個世紀(jì)各國科學(xué)家的共同努力，聚變研究已從科學(xué)實驗階段進入了發(fā)展實用的聚變能源階段?；仡櫤司圩冄芯康臍v史，可以看到磁約束核聚變研究經(jīng)國際上的密切合作與交流，在近20～30年間得到快速的發(fā)展，取得了巨大成就。開發(fā)聚變能的科學(xué)可行性已在托卡馬克類型的磁約束聚變裝置上得到證實，并取得了突破性進展。我國磁約束核聚變研究基本上與國際聚變研究同步發(fā)展，對國際上聚變研究做出了貢獻。

國際熱核聚變實驗堆ITER的設(shè)計與建造，已經(jīng)可以使人類看到光明的前景，但是實現(xiàn)聚變能的實際應(yīng)用，仍是一個持久而不平坦的歷程。這是因為除了要解決工程技術(shù)上的問題以外， 還要在能源市場上具有競爭力， 還需要一段相當(dāng)長的發(fā)展時間。全面參與ITER計劃，為我國的核聚變研究實現(xiàn)跨越式發(fā)展，為趕上國際先進水平提供了歷史機遇，我國應(yīng)不失時機地對聚變能的開發(fā)做出長遠的戰(zhàn)略性安排。

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[10] 馮開明. 中國DEMO聚變堆[R].中國DEMO聚變堆發(fā)展戰(zhàn)略研討會，2005.

中圖分類號：TL62

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-1617（2009)03-0212-08

收稿日期：2009-04-13

作者簡介：馮開明（1952－)，男，研究員，聚變科學(xué)研究所副總工程師，從事聚變堆理論與設(shè)計工作。

Controlled nuclear fusion and ITER project

FENG Kai-ming
(Southwestern Institute of Physics，CNNC，Chengdu of Sichuan Prov. 610041，China)

Abstract:The basic status of Chinese energy source， the principle of controlled nuclear fusion and the history and status of International Thermo-nuclear Experiment Reactor （ITER) are introduced briefly in this paper. Finally， the research and development course of magnetic confinement fusion in China are presented.

Key words:controlled nuclear fusion； ITER project； tokamak