龍琛芮

科技的魅力不僅僅體現(xiàn)在它的原理方面，而且也體現(xiàn)在它的應(yīng)用范圍。然而，目前在許多科技領(lǐng)域我們僅能探究它的原理，應(yīng)用的大門卻遲遲未能打開。受控核聚變因?yàn)槭且环N能夠一勞永逸地解決能源問題的終極手段，因而對(duì)人類充滿誘惑，散發(fā)著無限魔力，可惜，它正屬于尚未打開應(yīng)用之門的領(lǐng)域。自核聚變?cè)碓?933年被提出以來，世界范圍內(nèi)的科學(xué)家們就開始研究如何去掌握它。

能源是人類賴以生存的基礎(chǔ)，也是社會(huì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)增長最基本的驅(qū)動(dòng)力。而核聚變能與其他能源相比，不僅具有能量大、無核廢料、較為清潔的巨大優(yōu)勢(shì)，而且燃料供應(yīng)量大、事故風(fēng)險(xiǎn)率低。

那么，怎樣才能讓我們?nèi)庋劭床坏降脑雍思?jí)別的反應(yīng)受控于人類，使它們能夠按照人類的預(yù)期和把控的節(jié)奏進(jìn)行反應(yīng)？眾所周知，要想實(shí)現(xiàn)能源的利用，輸出的能量一定要遠(yuǎn)大于輸入的能量，而可控核聚變能的利用，不僅僅需要理論的支撐，而且還需要實(shí)踐的驗(yàn)證。雖然圍繞受控核聚變的物理研究與技術(shù)開發(fā)已經(jīng)開展了半個(gè)多世紀(jì)，但是由于技術(shù)水平和材料的限制，對(duì)于我們而言，目前需要達(dá)到可控核聚變的條件還非?？量?，所以還未實(shí)現(xiàn)核聚變能的大規(guī)?？煽乩谩５S著國際合作的深入，以及各國政府與企業(yè)等多方發(fā)力，可控核聚變能在具備理論基礎(chǔ)與項(xiàng)目實(shí)踐推動(dòng)的背景下，已經(jīng)在全世界掀起了不小的波瀾。那么，當(dāng)前實(shí)現(xiàn)可控核聚變的方法有哪些？ 如今已發(fā)展到了哪一步？各國不同類型的可控核聚變裝置和設(shè)備都有哪些？哪一種最有可能最先被推廣應(yīng)用？這都值得我們一探究竟。

一朝成名的托卡馬克

要想實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)，必須將聚變?nèi)剂霞訜嶂翗O高的溫度并予以有效約束。實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)通常有磁約束法和慣性約束法2 種方法。目前，我們實(shí)現(xiàn)核聚變的方法主要是使用磁約束法，而磁約束裝置中最出名的構(gòu)型為“托卡馬克裝置”。它是目前主流的核聚變裝置類型，主要由激發(fā)等離子體電流的變壓器（鐵芯或空芯）、產(chǎn)生環(huán)向磁場的線圈、控制等離子體平衡的平衡場線圈和環(huán)形真空室組成。

托卡馬克在誕生之初，并未受到很多關(guān)注。直到1968 年的國際原子能機(jī)構(gòu)大會(huì)上，蘇聯(lián)科學(xué)家宣布他們?cè)赥-3 托卡馬克裝置上取得的參數(shù)比美國的仿星器高出10 多倍時(shí)，這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果才在磁約束核聚變研究領(lǐng)域引發(fā)了前所未有的轟動(dòng)。從此，托卡馬克磁約束核聚變的研究進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)代，大大小小的托卡馬克裝置如雨后春筍般涌現(xiàn)，并因其具備先進(jìn)的理論研究方向和實(shí)踐的可行性而成為可控核聚變的主要研究方向。

大型托卡馬克裝置的代表有歐洲的JET、美國的TFTR、日本的JT-60、中國的EAST和多國合作的ITER。

位于英國牛津卡勒姆聚變中心的歐洲聯(lián)合環(huán)狀反應(yīng)堆JET，是世界上已建成的大型常規(guī)托卡馬克裝置。JET 集合了歐洲頂級(jí)的科學(xué)家、工業(yè)技術(shù)人員和有創(chuàng)新意識(shí)的管理團(tuán)隊(duì)，是整個(gè)歐洲核聚變規(guī)劃的一艘旗艦，無論在科學(xué)技術(shù)或科學(xué)管理上，JET 裝置都值得世人敬佩。由于核聚變裝置本身就是一個(gè)巨大的耗能裝置，其輸入（消耗）的電功率巨大，因此核聚變裝置必須保證功率增益因子Q（Q=核聚變輸出功率÷核聚變裝置輸入的功率）大于1，才具有實(shí)際意義。JET以其D形環(huán)向場線圈、真空容器以及大體積強(qiáng)電流等離子體而有別于其他大型托卡馬克裝置，以功率增益因子Q=1.25而實(shí)現(xiàn)了人類首次核聚變的能量輸出大于輸入，從實(shí)驗(yàn)上證明了托卡馬克裝置實(shí)現(xiàn)受控核聚變發(fā)電具有科學(xué)可行性。

TFTR

JET

JT-60

EAST

美國托卡馬克聚變?cè)囼?yàn)反應(yīng)堆TFTR，是1980年在普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室建造，并于1982年投入使用的大型托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置。它是世界上第一個(gè)嘗試50：50氘氚燃料的托卡馬克裝置，在探索并理解氘氚等離子體行為特性等方面獲得了重大的進(jìn)展。雖然TFTR裝置已于1997年關(guān)停，但是它的嘗試，在核聚變約束時(shí)間和能量密度研究方面作出了重大貢獻(xiàn)，積累的經(jīng)驗(yàn)為之后裝置的設(shè)計(jì)和建造提供了重要的參照。

日本的JT-60自1985年投入運(yùn)行。它與TFTR和JET并稱為世界三大托卡馬克裝置。JT-60不僅是日本磁約束核聚變項(xiàng)目的代表性裝置，同時(shí)也是世界磁約束核聚變領(lǐng)域的明星裝置。自投入運(yùn)行以來，該裝置的功率增益因子Q值一度超過了1.25，并且一直保持著聚變?nèi)胤e的最高世界紀(jì)錄。1991年，JT-60托卡馬克裝置升級(jí)為了JT-60U，改造后提高了核聚變等離子體的約束性能，并且在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)中取得了良好的效果，其功率增益因子大于1.3。JT-60U于2008年停止運(yùn)行，后續(xù)將再次升級(jí)，通過改造等離子體位形，升級(jí)等離子體體積，更換超導(dǎo)磁體，使其成為一個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克裝置。

從20世紀(jì)60年代開始，我國也開始布局受控核聚變領(lǐng)域的研究工作，在托卡馬克核聚變裝置的發(fā)展上，有環(huán)流器一號(hào)及新一號(hào)（HL-1/1M）、環(huán)流器二號(hào)A（HL-2A）、環(huán)流器二號(hào)M（HL-2M）和“東方超環(huán)”EAST相繼問世。EAST是世界上第一個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克裝置，其內(nèi)部30個(gè)主線圈全部采用了超導(dǎo)材料，其核心是一個(gè)具有非圓小截面的大型超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置，此外還包括控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、波加熱系統(tǒng)、波驅(qū)動(dòng)電流系統(tǒng)、底紋系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、診斷系統(tǒng)、電源系統(tǒng)以及公共基礎(chǔ)設(shè)施等一些重要的子系統(tǒng)。其主機(jī)的縱場和極向場均采用了超導(dǎo)磁體，真空室為獨(dú)特的非圓截面，不僅可提供穩(wěn)態(tài)的等離子體約束，成形并平衡所需的穩(wěn)定磁場，而且能夠滿足大的三角形變和拉長比，以及開展高約束模式的實(shí)驗(yàn)研究要求。

EAST先后實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)技術(shù)的重大突破。與其他托卡馬克裝置只能將等離子體維持在幾秒內(nèi)相比，EAST實(shí)現(xiàn)了大于400秒的長脈沖等離子體運(yùn)行。2017年，EAST實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的101.2秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束等離子體運(yùn)行，是世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式運(yùn)行持續(xù)時(shí)間達(dá)到百秒量級(jí)的托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。2018 年，EAST又實(shí)現(xiàn)了1億攝氏度等離子體運(yùn)行，獲得了接近未來聚變堆穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模式所需要的物理?xiàng)l件的實(shí)驗(yàn)參數(shù)等，朝著未來聚變堆實(shí)驗(yàn)運(yùn)行邁出了關(guān)鍵一步。

磁約束聚變堆的工程研究是通往未來能源應(yīng)用的必要一步，目的是驗(yàn)證其工程的可能性。要完成工程可行性的探索，需要建造一系列不同用途的聚變?cè)囼?yàn)堆，進(jìn)行必要的等離子體自持燃燒、材料驗(yàn)證、核安全體系建設(shè)等方面的研究。在世界各國利用大型托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行研究的同時(shí)，建造一臺(tái)大型聚變堆進(jìn)行工程實(shí)驗(yàn)研究也是必要的。截至目前，世界上已經(jīng)有30多個(gè)國家擁有自己的托卡馬克裝置，其中尤以ITER最為著名。

位于法國卡達(dá)拉舍的國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆ITER，是目前正在建設(shè)的世界上最大的實(shí)驗(yàn)性托卡馬克核聚變反應(yīng)堆。該反應(yīng)堆由7個(gè)成員實(shí)體資助和運(yùn)行，分別是歐盟、印度、日本、中國、俄羅斯、韓國和美國。ITER托卡馬克裝置高約28米，半徑約29米，總重約2.4萬噸，環(huán)向場5.3T，等離子體電流15毫安。其設(shè)計(jì)的ITER等離子體中心溫度將達(dá)到1億～2億度，如此高的溫度是太陽中心溫度的10倍左右，這些高溫等離子體依靠超導(dǎo)磁體系統(tǒng)產(chǎn)生，并維持兆安量級(jí)的等離子體電流。ITER真空室重達(dá)8000噸，是保證堆芯無雜質(zhì)的關(guān)鍵組件，也是輻射防護(hù)的第一道屏障。當(dāng)然，它的最終目的是為了實(shí)現(xiàn)功率增益Q大于10。

就工程可行性的研究而言，ITER只能進(jìn)行有限的聚變堆工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)。為此，國際上除了合作建設(shè)ITER之外，許多國家都在積極發(fā)展自己的聚變堆計(jì)劃，但其各自的科學(xué)目標(biāo)略有不同。

不同于EAST，中國的聚變工程試驗(yàn)堆CFETR將研究邁向?qū)嵱没苯右晕磥砭圩兡軕?yīng)用為目標(biāo)，是聚變堆發(fā)電從實(shí)驗(yàn)堆過渡到原型電站不可或缺的工程堆。目前，CFETR 已經(jīng)完成了總體設(shè)計(jì)并開始了工程設(shè)計(jì)，計(jì)劃于2030年建成，其設(shè)計(jì)的大半徑為7.2米，小半徑為2.2米，磁場為6.5T，等離子體電流為14毫安，聚變功率為2000兆瓦（最大值）。

哈薩克斯坦國家核中心（NNC）已啟動(dòng)托卡馬克型KTM 聚變堆物理啟動(dòng)的第一階段工作。這座聚變堆是與俄羅斯緊密合作的成果。它是一個(gè)球形裝置，內(nèi)部有一個(gè)12.3 立方米的真空室，主要用于為國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）提供支持——模擬ITER 運(yùn)行條件下等離子體與材料的相互作用。KTM 能夠在高達(dá)20 兆瓦/平方米的熱負(fù)荷下開展材料檢測(cè)工作，從而為解決聚變堆材料問題提供幫助。

2019 年，克羅地亞德博斯科維奇研究所（RBI）建成了一座雙離子束設(shè)施。它可以組合來自不同加速器的2 條離子束，能夠模擬聚變反應(yīng)的極端條件，幫助開發(fā)足夠堅(jiān)固的新材料。

ITER主機(jī)設(shè)計(jì)圖

IETR裝置剖面圖

托卡馬克磁體系統(tǒng)

在過去，可控核聚變的研究往往都是由國家承擔(dān)，甚至由多國聯(lián)合實(shí)施，因?yàn)檫@種研究難度非常大，往往短期內(nèi)也看不到盈利的可能性。但近年來出現(xiàn)了公司化運(yùn)營可控核聚變研究的公司，例如加拿大的通用聚變公司、美國的三阿爾法能源公司、美國的洛克希德·馬丁公司等。這些公司采用的技術(shù)路線與主流的托卡馬克和慣性約束不同，基本都采用了更加緊致的磁約束裝置，例如通用聚變公司采用了一種球形托卡馬克的磁約束裝置，在相同磁場強(qiáng)度下，它比傳統(tǒng)托卡馬克裝置的效率更高，體積更小。雖然這種裝置成熟度沒有常規(guī)托卡馬克高，但成本卻相對(duì)較低，私企公司承受得起。

走進(jìn)托卡馬克內(nèi)部

無論是哪種托卡馬克裝置，想要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的受控核聚變，在其內(nèi)部必然要求具備極端溫度、超高真空、超強(qiáng)磁場和超大電流的條件。僅以我國的EAST 為例，托卡馬克裝置內(nèi)部簡直可稱為鬼斧神工之作。

磁體系統(tǒng)是全超導(dǎo)托卡馬克關(guān)鍵的部件之一，其總重量超過裝置總重的1/4，總造價(jià)同樣超過裝置總造價(jià)的1/4。EAST 的磁體系統(tǒng)共有30 個(gè)線圈，包括14 個(gè)極向場線圈和16 個(gè)縱場線圈。其中極向場線圈又由位于芯部的6 個(gè)中心螺線管線圈和外部的8 個(gè)大線圈組成，均是通過水平放置運(yùn)行變化的電流來產(chǎn)生變化的磁場。中心螺線管產(chǎn)生的變化磁場用以激發(fā)并加熱等離子體，大線圈產(chǎn)生的變化磁場用以控制等離子體的形狀和位置。16 個(gè)D 形縱場線圈豎直放置，產(chǎn)生的環(huán)形穩(wěn)態(tài)磁場用以約束等離子體。

EAST 裝置里面的磁體電流主要分為2 種：一種是縱場線圈里流動(dòng)的恒定超大電流，這種電流可以產(chǎn)生形似甜甜圈一樣的超強(qiáng)磁場。另一種是極向場線圈里面流動(dòng)的可以快速變化的脈沖大電流，這種電流起輔助作用，可以使磁場更加穩(wěn)定。同時(shí)，為了安全有效地控制這些電流的流動(dòng)，還需要設(shè)計(jì)一套超導(dǎo)磁體饋線系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)將產(chǎn)生電流的“電源”與流動(dòng)電流的“超導(dǎo)磁體”連接起來。這套超導(dǎo)磁體饋線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的不僅是電流的連接和能量的傳輸，還有不同溫區(qū)之間溫度的過渡和絕緣功能。

在托卡馬克裝置中，為了產(chǎn)生足夠強(qiáng)大的磁場，必須給線圈通過高達(dá)數(shù)萬甚至數(shù)十萬安培的大電流，這是家用空調(diào)電流的數(shù)千倍乃至數(shù)萬倍。普通的銅導(dǎo)線盡管電阻很小，但由于電流很大，會(huì)造成很嚴(yán)重的發(fā)熱問題，一定程度上限制了托卡馬克的長時(shí)間運(yùn)行，所以需要代之以超導(dǎo)導(dǎo)線。超導(dǎo)材料是一種在特殊條件下電阻為零的材料，利用這一特性，可以有效避免線圈發(fā)熱，有利于托卡馬克的長時(shí)間運(yùn)行。此外，與普通的銅導(dǎo)線相比，在承載相同電流的條件下，超導(dǎo)體的尺寸更小，有助于托卡馬克磁體系統(tǒng)的小型化和緊湊化。在EAST 裝置上，距離超高溫的核心約1 米遠(yuǎn)的地方，就是承載超大電流的超導(dǎo)導(dǎo)線。EAST 超導(dǎo)導(dǎo)線使用的是鈮鈦材料，在低溫狀態(tài)下會(huì)出現(xiàn)電阻消失的現(xiàn)象，無論多大的電流，都不會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象。但為了使超導(dǎo)導(dǎo)線穩(wěn)定地處在超導(dǎo)狀態(tài)，需要將其浸入- 269℃ 的液氦中。在EAST 裝置上，為了有效隔絕上億攝氏度的超高溫和- 269℃的超低溫，采取了一種特殊的隔熱手段，那就是真空。真空是一種非常稀的氣體狀態(tài)，里面的粒子密度很低，熱傳導(dǎo)很慢，所以有著比較優(yōu)良的隔熱性能。因?yàn)橛兴拍軐?shí)現(xiàn)2 個(gè)極端溫度在一個(gè)很短的距離內(nèi)的共存。也因?yàn)楦哒婵盏拇嬖?，才保護(hù)了材料不被核心上億攝氏度的核聚變?nèi)剂纤鶡龤А?p>

科幻片《流浪地球》中的核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)

EAST裝置的真空室分為內(nèi)真空室和外真空室兩大部分。外真空室的作用主要是隔熱，而內(nèi)真空室除了隔熱外，更大的作用是作為核聚變反應(yīng)的容器使用。因此，EAST 裝置的內(nèi)真空室是關(guān)鍵部件之一，其重量約占據(jù)整個(gè)裝置主機(jī)總重的1/3。

除了內(nèi)真空室和外真空室之外，EAST 裝置的很多外圍系統(tǒng)也需要維持一個(gè)很高的真空度，這些真空的獲得與維持需要機(jī)械泵、羅茲泵、分子泵，低溫泵等設(shè)備的配合。

這些超越我們認(rèn)知的極限環(huán)境，也真正反映了受控核聚變裝置設(shè)計(jì)的復(fù)雜和建造的難度。

未來的核聚變裝置

經(jīng)過幾十年的努力，世界各國建造的托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置已逾百座，人類的核聚變研究已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步和發(fā)展，然而距離實(shí)現(xiàn)核聚變能發(fā)電的目標(biāo)，我們需要解決的問題還很多，通往成功的道路依然遙遠(yuǎn)而漫長。

按照現(xiàn)有的理論基礎(chǔ)與托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)受控核聚變的探索，商用核聚變電站可能會(huì)由逐步發(fā)展的等離子加熱系統(tǒng)、超導(dǎo)線圈、超高真空泵、熱交換器、發(fā)電機(jī)組、電力傳輸線等部分組成，外形必然不會(huì)很小。正如在國產(chǎn)科幻影片《流浪地球》中描繪的那樣，裸露在地表上的核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)都是一座座堪比高山的裝置。

那么，未來的核聚變裝置會(huì)不會(huì)隨著新技術(shù)或者新材料的應(yīng)用，而與目前可預(yù)見的核聚變裝置有著截然不同的外觀、形狀和大小呢？我們不得而知。但是我們可以大膽預(yù)測(cè)，核聚變裝置必然朝著高功率增益、小型化的方向發(fā)展。如果可控核聚變得到高效率與大范圍的運(yùn)用，人類不僅能擺脫環(huán)境污染和生態(tài)破壞問題的困擾，得到一個(gè)真正人與自然和平共處的生存環(huán)境，而且讓地球開始星際旅行的場景或許也能變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)！

名詞解釋：

超導(dǎo)材料：具有在一定的低溫條件下呈現(xiàn)出電阻等于零，以及排斥磁力線性質(zhì)的材料。

聚變?nèi)胤e：等離子體的溫度、密度和熱能約束時(shí)間三者的乘積。該參數(shù)直接反映了磁約束核聚變實(shí)用化的可能性。