丁斯曄，錢金平，龔先祖

中國科學院合肥物質(zhì)研究院等離子體物理研究所，合肥 230031

回顧近現(xiàn)代史，人類文明和經(jīng)濟的快速發(fā)展有賴于新能源的發(fā)現(xiàn)和廣泛應用。我們處在人類歷史上經(jīng)濟快速發(fā)展的時期，支撐和維持這種發(fā)展，需要大量的能源。當前，我們還是主要使用化石能源(主要包括煤炭、石油和天然氣)，但化石能源主要存在以下兩個方面的局限。一方面，化石能源的原料儲量有限而且不可再生，據(jù)估計現(xiàn)有常規(guī)的化石能源只能供人類使用300年左右。當然，最近一些新型的化石能源也在被開采出來，如頁巖氣和可燃冰等，但在技術和經(jīng)濟效益上還存在問題。另一方面，化石能源會產(chǎn)生大量的有害廢物，造成嚴重的環(huán)境污染。如今部分地區(qū)的霧霾以及全球氣候變暖與化石能源的無限使用不無關系。為此，人類開始大力發(fā)展新能源，包括風能、水能、太陽能、潮汐能、生物質(zhì)能等等。這些能源也都存在各自的問題，比如能量不夠大，易受地理或天氣條件的限制等，作為輔助能源使用更合適。核能包括裂變能和聚變能，環(huán)保、清潔、能量巨大，在滿足人們用電需求的同時，不產(chǎn)生污染環(huán)境的有害氣體，將是可以替代化石能源的主要能源形式。由于核裂變需要的原料235U等的儲量并不算豐富，因此，相比而言，利用氘氚反應產(chǎn)生能量的核聚變具有更大的優(yōu)越性。首先，地球上的核聚變原料儲量豐富，核聚變的原料是氫的同位素——氘和氚。氘可以從海水直接提取，氚可以由氘和鋰發(fā)生反應獲得。據(jù)估計，地球上海水中蘊含的氘足夠人類使用幾百億年！到目前為止，地球的年齡也不過50億年，人類歷史不過幾百萬年。因此，核聚變的原料可謂“取之不盡、用之不竭”。第二，核聚變釋放能量巨大?！叭紵? kg氘相當于4 kg鈾(核裂變原料)，還相當于7 000 t汽油或10 000 t煤。與此同時，1 L海水中的氘經(jīng)過聚變反應產(chǎn)生的能量相當于燃燒300 L汽油。第三，核聚變能源清潔無污染。聚變產(chǎn)物沒有放射性，聚變?nèi)剂系谋４孢\輸、聚變電站的運行都比較安全。其實，地球上的能量本質(zhì)上都來自于這種反應——太陽的核聚變能量。在地球上建設核聚變電站，就是直接帶給人類太陽的能量！

毋庸置疑，世界各國都看到了聚變能源的潛在優(yōu)勢，也意識到了當前研究所面臨的重大挑戰(zhàn)。因此，在這個領域普遍開展了國際上廣泛深入的合作。目前，由中、歐、俄、日、韓、美、印等國和國際組織參與的，當今世界最大的多邊國際科技合作項目之一的全超導聚變反應堆裝置國際熱核實驗聚變堆(ITER，http://www.iter.org)預計2025 年開始運行，而我國的聚變工程實驗堆(CFETR)也完成了物理和工程概念設計[1]。這兩個有代表性的聚變堆裝置采用的是當前主流的磁約束托卡馬克(Tokamak)設計——在一個環(huán)形真空室中利用強的螺旋形磁場約束高溫聚變等離子體。經(jīng)過全球科學家們60多年的努力，在托卡馬克上產(chǎn)生聚變能的科學可行性已被證實[2]；但相關實驗結果都是以短脈沖形式產(chǎn)生的，與未來反應堆的連續(xù)運行需求有較大距離。為實現(xiàn)高參數(shù)高性能等離子體的穩(wěn)態(tài)運行，目前建造超導托卡馬克裝置開展穩(wěn)態(tài)先進運行的研究已成為國際熱潮。已建成運行的有中國的“東方超環(huán)”EAST(http://east.ipp.ac.cn)、韓國的KSTAR (http://www.nfri.re.kr/english/fusion/kstar.php)，日本也有了明確的超導托卡馬克JT-60SA計劃(http://www-jt60.naka.jaea.go.jp/english/html/presentations.html)，法國的Tore Supra改造為WEST( http://west.cea.fr/en/index.php)，還有就是前文提到的ITER和CFETR。它們是人類受控熱核聚變研究走向實用的必由之路，是為建造聚變能示范電站奠定科學和技術基礎的關鍵。

托卡馬克的設計本質(zhì)上是脈沖式的。它利用變壓器原理，在外加的極向場線圈(主要是中心螺管)中改變電流，從而產(chǎn)生大環(huán)向的電場，進而擊穿工作氣體產(chǎn)生等離子體并對其產(chǎn)生加熱(歐姆加熱)和驅動等離子體環(huán)向電流。由于外加線圈的電流不可能無限大，因此這種工作方式終將有極限，不可能維持一個穩(wěn)態(tài)運行的等離子體。對于聚變反應堆，具有高聚變增益的穩(wěn)態(tài)運行是最具吸引力的運行模式。穩(wěn)態(tài)運行一方面減少堆芯停機帶來的各種機械、熱工、核燃料循環(huán)的風險，另一方面也提高了聚變堆運行的負載率，提高經(jīng)濟效益。在托卡馬克上研究穩(wěn)態(tài)運行模式，必須找到可以驅動等離子體環(huán)向電流的手段，以替代極向場線圈的電流變化。目前，科學家們找到了兩種方法：①等離子體自發(fā)產(chǎn)生的自舉電流(或靴帶電流，bootstrap current)。這是一種環(huán)形等離子體特有的，由于捕獲粒子在具有徑向梯度的不均勻等離子體中進行香蕉軌道運動而產(chǎn)生的凈電流。由于其產(chǎn)生的自發(fā)性，可以認為這是等離子體自身形成的環(huán)向電流?；\統(tǒng)地說，自舉電流的大小與壓力梯度密切相關。②外部驅動的電流。聚變等離子體原則上是需要依賴于外部的輔助加熱手段的，如中性束和各種射頻波加熱。因為它們不但可以為等離子體提供達到聚變反應所需條件的加熱功率，還可以在托卡馬克等離子體中驅動環(huán)向電流，維持極向磁場約束等離子體，同時降低對極向場線圈能力的依賴。如何利用這兩種方法，如何配置參數(shù)，使得等離子體最終進入不消耗極向場線圈能量的完全非感應運行狀態(tài)，就是穩(wěn)態(tài)運行模式研究的目的。當然，對于聚變堆等離子體來說，穩(wěn)態(tài)運行模式通常也必須兼容高性能，即高的聚變增益Q(能量產(chǎn)出輸入比)。

在研究托卡馬克運行模式區(qū)間的過程中總結出聚變功率產(chǎn)出與自舉電流份額及等離子體主要性能參數(shù)之間的關系，如圖1所示[3]。等離子體的主要性能參數(shù)包括歸一化比壓βN(正比于等離子體儲能)和邊界安全因子q95(反比于等離子體電流)。從圖1中可以看出：相同安全因子下的高比壓運行可以有效提高聚變功率；而如果維持高比壓同時提高安全因子，則能夠提高自舉電流份額，有利于實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運行，但會犧牲一些聚變功率輸出。安全因子q之所以被這樣命名，是有其深刻的物理意義的。這個物理量不但與很多MHD現(xiàn)象的穩(wěn)定性相關，還跟托卡馬克等離子體的破裂現(xiàn)象有統(tǒng)計上的關聯(lián)性[4]。破裂是托卡馬克放電過程中由于各種原因(工程技術、控制、物理)導致對等離子體失去控制，在極短的時間內(nèi)等離子體電流降為零并熄滅的現(xiàn)象。大破裂將在托卡馬克真空室壁上造成很大的熱沖擊和電磁應力，對大型裝置的安全是很大威脅。圖2顯示了DIII-D托卡馬克上對于破裂現(xiàn)象的統(tǒng)計結果。數(shù)據(jù)表明，較高的等離子體性能(βN大于3.0已經(jīng)是很高性能的狀態(tài)了)與造成破裂的原因并無直接關聯(lián)，但較高的q95的確能夠降低破裂的風險，從而提高裝置運行的安全性。因此，圖1中所標識的穩(wěn)態(tài)運行區(qū)域(steady-state)相對于傳統(tǒng)托卡馬克等的運行區(qū)而言，不僅具有高自舉電流份額的特點，還兼具更高的安全性。因此，當前的穩(wěn)態(tài)運行模式設計研究都在相對較高的q95(≥5)條件下開展。

圖1 托卡馬克穩(wěn)態(tài)先進運行模式聚變功率、自舉電流份額以及邊界安全因子q95和歸一化比壓βN的相互依賴關系

圖2 美國DIII-D托卡馬克等離子體放電平頂發(fā)生破裂的統(tǒng)計分析。共6 000多個破裂事例，已排除由于控制失誤和電源故障引起的破裂事件。上圖顯示破裂概率隨等離子體最大βN的變化關系；下圖是破裂概率隨等離子體q95的變化關系。黃色陰影是數(shù)據(jù)的90%置信區(qū)間；灰色陰影代表典型事例數(shù)量較少的區(qū)域(每個統(tǒng)計單元小于20個事例)

對于ITER而言，目前已經(jīng)明確實現(xiàn)先進穩(wěn)態(tài)運行是其重要的科學目標之一，完全非感應電流驅動運行和高聚變增益是這種模式的兩個關鍵點。穩(wěn)態(tài)運行的具體等離子體性能參數(shù)已經(jīng)定為在等離子體電流為9 MA的條件下，實現(xiàn)電流的完全非感應驅動，以及Q≈5的功率增益(Ip=9 MA，q95=5.3，fNI=100%，H98=1.3， βN=2.6)。在穩(wěn)態(tài)模式下，ITER預計能夠實現(xiàn)長達3 000 s的等離子體放電長度(受限于硬件條件)。

迄今為止，世界上各個主要的托卡馬克裝置對未來的先進運行模式開展了具有各自特色的研究，取得了很大的進展。我們知道，先進運行模式的關鍵點是主動控制和調(diào)整電流密度的分布，實現(xiàn)改善拓寬等離子體穩(wěn)定區(qū)間和芯部約束性能的目的。在感應模式中，芯部形成等離子體電流密度的峰值，隨著徑向距離增大而單調(diào)降低。安全因子q分布則會是以具有較大正磁剪切的單調(diào)分布的形式存在，磁軸處的q值(q0)略小于1，邊界處的q值(q95)3～4，見圖3。托卡馬克裝置的“先進運行模式”可以根據(jù)其q分布的形式分為以下兩類：①具有較強反磁剪切和高自舉電流份額的等離子體，邊界q較高，芯部q略高于2(避免出現(xiàn)m=2/n=1的新經(jīng)典撕裂模)。這類放電通常伴有內(nèi)部輸運壘的存在，自舉電流份額＞50%，甚至80%。如果剩下的電流能夠被外部的電流驅動方式所驅動，就完全可以實現(xiàn)完全非感應運行模式，這種運行模式就能夠成為穩(wěn)態(tài)運行很好的方案之一。②具有弱磁剪切或零剪切的q分布，其q0值接近1。這是一種介于單調(diào)增長和反剪切q分布之間的中間狀態(tài)，就是通常所稱的“混合模式”。這類等離子體通常沒有內(nèi)部輸運壘或者具有較弱的內(nèi)部輸運壘，q95≈4，能夠在較低的等離子體電流并實現(xiàn)高聚變功率輸出的情況下實現(xiàn)較長脈沖運行[5]。感應運行模式主要依靠歐姆場線圈極向磁通變化來維持等離子體。對于ITER而言，這種運行模式能實現(xiàn)脈沖長度最大約為400 s的放電(Ip=15 MA，fNI=15%，H98=1.0，βN=1.8)，無法實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)等離子體運行。這種傳統(tǒng)的H-mode運行模式一般具有沿等離子體小半徑單調(diào)分布的安全因子，但約束性能較低。

圖3 托卡馬克不同運行模式中的安全因子q分布

因此，在安全因子q分布——也就是等離子體電流分布——存在顯著差別，對等離子體運行模式帶來決定性影響的情況下，利用外界手段和實驗技術主動調(diào)節(jié)等離子體分布，使其進入這種高性能的狀態(tài)，成為科學家們的研究目的。前文提到了自舉電流的重要性。如果自舉電流能提供50%～90%的等離子體電流，不但能大大降低托卡馬克的建設和運行成本，而且自舉電流還將提供重要的離軸電流驅動特性，形成較寬的整體電流分布。在高比壓的等離子體放電參數(shù)下，大份額的自舉電流可以明顯地改變等離子體電流分布及安全因子分布，從而形成弱磁剪切，或電流中空分布的負剪切位形，進一步改善等離子體的約束及穩(wěn)定性。通過理論計算可以得到，自舉電流份額fBS∝q2β，也就是高β、高q等離子體放電有利于實現(xiàn)高的自舉電流。另一方面，需要依賴外部的電流驅動手段，如低雜波、電子回旋波、中性束等，來控制等離子體電流分布。這里要特別提到低雜波的作用。低雜波電流驅動(LHCD)被認為是對等離子體最有效的控制手段之一，有利于產(chǎn)生符合先進托卡馬克運行需要的離軸電流分布以實現(xiàn)高約束的反磁剪切位形，但如何提高聚變堆條件下的高密度低雜波電流驅動效率是一個尚未完全解決的科學問題。目前，各大實驗裝置通過LHCD改變電流分布成功實現(xiàn)了高約束的等離子體，中國科學家在“東方超環(huán)”EAST裝置上通過低雜波實現(xiàn)了長脈沖H-mode 等離子體[6-7]。但是對于高密度等離子體，數(shù)值模擬結果與實驗差距較大。由于未來聚變堆要求高密度等離子體運行，目前低雜波電流驅動面臨的最大問題是如何實現(xiàn)和解決高密度下的低雜波電流驅動效率。根據(jù)理論預言，LHCD驅動效率與等離子體密度成反比[8]，而最近的實驗結果[9-12]表明，當?shù)入x子體密度高于一定值時，其驅動電流效率明顯偏離理論曲線。國際托卡馬克物理研討活動(ITPA)集成穩(wěn)態(tài)運行組(IOS)專門立項來研究高密度下低雜波電流驅動問題，在FTU、C-Mod、JET等托卡馬克上均開展了高密度下低雜波電流驅動聯(lián)合實驗。研究結果表明，導致高密度下驅動效率迅速下降的主要原因有參量衰變不穩(wěn)定性(PDI)、邊緣區(qū)域的碰撞吸收、邊緣密度漲落引起的散射等[13-15]。為了提高高密度運行下低雜波的電流驅動效率，科學家嘗試了不同的方法。例如：在FTU裝置上通過壁處理(如鋰化)等手段提高邊緣區(qū)域的等離子體溫度來減小PDI，在C-Mod上通過減少等離子體刮削層的寬度減小等離子體在邊緣區(qū)域的功率沉積等。這些方法有效地提高了低雜波向芯部傳播的能力，也同時大大增強了低雜波改變等離子體參數(shù)分布的能力，從而有利于提高等離子體的約束性能。此外，EAST上的實驗還證實了LHCD可以在電流上升的過程中節(jié)省伏秒數(shù)，提高電流上升率。這有利于在現(xiàn)在和未來的超導裝置上利用較快速的等離子體電流上升建立較寬的電流分布，從而起到有利于建立穩(wěn)態(tài)運行模式的作用。

EAST作為世界上第一個與ITER類似的全超導托卡馬克裝置，是目前國際上僅有的有能力開展超過百秒時間尺度的長脈沖高約束聚變等離子體物理研究的實驗平臺。基于過去十多年的研究積累，EAST團隊通力合作、集體攻關，集中解決了長時間尺度下的等離子體位形精確控制、高功率射頻波加熱與電流驅動、高約束性能等離子體穩(wěn)定性、等離子體與壁相互作用、粒子與熱排出、關鍵分布參數(shù)的實時診斷等一系列與穩(wěn)態(tài)運行密切相關的關鍵技術和物理問題，同時對多尺度物理過程的集成和芯部約束與邊界、偏濾器的有效兼容等前沿問題開展了深入的科學研究。EAST在以低動量注入純射頻波加熱、主動水冷鎢偏濾器等類似ITER未來運行條件下，成功實現(xiàn)了全程擾動幅度較小的邊緣局域模(ELMs)的高約束模式，有效控制了偏濾器靶板熱負荷和鎢雜質(zhì)返流，獲得了約束改善因子H98y2大于1.1的完全非感應電流穩(wěn)態(tài)高性能等離子體，并通過先進磁位形的精確控制實現(xiàn)了等離子體運行的軟著陸，驗證了超高真空、低溫、大功率電源、超導磁體、射頻波和中性束加熱、計算機控制和數(shù)據(jù)采集等系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行的能力。在2017年實驗中利用純射頻波實現(xiàn)了穩(wěn)定的101.2 s穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束等離子體運行(圖4)，這標志著EAST成為了世界上第一個實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式運行持續(xù)時間達到百秒量級的托卡馬克核聚變實驗裝置。這一里程碑式的重要突破，表明我國磁約束聚變研究在穩(wěn)態(tài)運行的物理和工程方面，將繼續(xù)引領國際前沿，對未來ITER和CFETR建設和運行具有重大的科學意義。

圖4 東方超環(huán)首次100秒量級的穩(wěn)態(tài)高約束模式等離子體

本文從研究核聚變對于人類能源需求的意義出發(fā)，簡要闡述了當前磁約束受控核聚變領域的發(fā)展狀況以及穩(wěn)態(tài)運行的聚變等離子體對實現(xiàn)聚變堆安全高效運行的重要意義。通過設計高比壓、高安全因子的等離子體參數(shù)，人們有望利用等離子體自身形成的自舉電流再加上外部提供的驅動電流，最終實現(xiàn)兼顧高性能和安全性的完全非感應等離子體運行，為人類直接帶來“太陽”的能量。

(2018年3月6日收稿)■

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