探秘受控核聚变

龙琛芮

科技的魅力不仅仅体现在它的原理方面，而且也体现在它的应用范围。然而，目前在许多科技领域我们仅能探究它的原理，应用的大门却迟迟未能打开。受控核聚变因为是一种能够一劳永逸地解决能源问题的终极手段，因而对人类充满诱惑，散发着无限魔力，可惜，它正属于尚未打开应用之门的领域。自核聚变原理在1933年被提出以来，世界范围内的科学家们就开始研究如何去掌握它。

能源是人类赖以生存的基础，也是社会发展和经济增长最基本的驱动力。而核聚变能与其他能源相比，不仅具有能量大、无核废料、较为清洁的巨大优势，而且燃料供应量大、事故风险率低。

那么，怎样才能让我们肉眼看不到的原子核级别的反应受控于人类，使它们能够按照人类的预期和把控的节奏进行反应？众所周知，要想实现能源的利用，输出的能量一定要远大于输入的能量，而可控核聚变能的利用，不仅仅需要理论的支撑，而且还需要实践的验证。虽然围绕受控核聚变的物理研究与技术开发已经开展了半个多世纪，但是由于技术水平和材料的限制，对于我们而言，目前需要达到可控核聚变的条件还非常苛刻，所以还未实现核聚变能的大规模可控利用。但随着国际合作的深入，以及各国政府与企业等多方发力，可控核聚变能在具备理论基础与项目实践推动的背景下，已经在全世界掀起了不小的波澜。那么，当前实现可控核聚变的方法有哪些？ 如今已发展到了哪一步？各国不同类型的可控核聚变装置和设备都有哪些？哪一种最有可能最先被推广应用？这都值得我们一探究竟。

一朝成名的托卡马克

要想实现聚变反应，必须将聚变燃料加热至极高的温度并予以有效约束。实现聚变反应通常有磁约束法和惯性约束法2 种方法。目前，我们实现核聚变的方法主要是使用磁约束法，而磁约束装置中最出名的构型为“托卡马克装置”。它是目前主流的核聚变装置类型，主要由激发等离子体电流的变压器（铁芯或空芯）、产生环向磁场的线圈、控制等离子体平衡的平衡场线圈和环形真空室组成。

托卡马克在诞生之初，并未受到很多关注。直到1968 年的国际原子能机构大会上，苏联科学家宣布他们在T-3 托卡马克装置上取得的参数比美国的仿星器高出10 多倍时，这一实验结果才在磁约束核聚变研究领域引发了前所未有的轰动。从此，托卡马克磁约束核聚变的研究进入了一个新时代，大大小小的托卡马克装置如雨后春笋般涌现，并因其具备先进的理论研究方向和实践的可行性而成为可控核聚变的主要研究方向。

大型托卡马克装置的代表有欧洲的JET、美国的TFTR、日本的JT-60、中国的EAST和多国合作的ITER。

位于英国牛津卡勒姆聚变中心的欧洲联合环状反应堆JET，是世界上已建成的大型常规托卡马克装置。JET 集合了欧洲顶级的科学家、工业技术人员和有创新意识的管理团队，是整个欧洲核聚变规划的一艘旗舰，无论在科学技术或科学管理上，JET 装置都值得世人敬佩。由于核聚变装置本身就是一个巨大的耗能装置，其输入（消耗）的电功率巨大，因此核聚变装置必须保证功率增益因子Q（Q=核聚变输出功率÷核聚变装置输入的功率）大于1，才具有实际意义。JET以其D形环向场线圈、真空容器以及大体积强电流等离子体而有别于其他大型托卡马克装置，以功率增益因子Q=1.25而实现了人类首次核聚变的能量输出大于输入，从实验上证明了托卡马克装置实现受控核聚变发电具有科学可行性。

TFTR

JET

JT-60

EAST

美國托卡马克聚变试验反应堆TFTR，是1980年在普林斯顿等离子体物理实验室建造，并于1982年投入使用的大型托卡马克实验装置。它是世界上第一个尝试50：50氘氚燃料的托卡马克装置，在探索并理解氘氚等离子体行为特性等方面获得了重大的进展。虽然TFTR装置已于1997年关停，但是它的尝试，在核聚变约束时间和能量密度研究方面作出了重大贡献，积累的经验为之后装置的设计和建造提供了重要的参照。

日本的JT-60自1985年投入运行。它与TFTR和JET并称为世界三大托卡马克装置。JT-60不仅是日本磁约束核聚变项目的代表性装置，同时也是世界磁约束核聚变领域的明星装置。自投入运行以来，该装置的功率增益因子Q值一度超过了1.25，并且一直保持着聚变三重积的最高世界纪录。1991年，JT-60托卡马克装置升级为了JT-60U，改造后提高了核聚变等离子体的约束性能，并且在稳态运行实验中取得了良好的效果，其功率增益因子大于1.3。JT-60U于2008年停止运行，后续将再次升级，通过改造等离子体位形，升级等离子体体积，更换超导磁体，使其成为一个全超导托卡马克装置。

从20世纪60年代开始，我国也开始布局受控核聚变领域的研究工作，在托卡马克核聚变装置的发展上，有环流器一号及新一号（HL-1/1M）、环流器二号A（HL-2A）、环流器二号M（HL-2M）和“东方超环”EAST相继问世。EAST是世界上第一个全超导托卡马克装置，其内部30个主线圈全部采用了超导材料，其核心是一个具有非圆小截面的大型超导托卡马克实验装置，此外还包括控制系统、数据采集系统、波加热系统、波驱动电流系统、底纹系统、真空系统、诊断系统、电源系统以及公共基础设施等一些重要的子系统。其主机的纵场和极向场均采用了超导磁体，真空室为独特的非圆截面，不仅可提供稳态的等离子体约束，成形并平衡所需的稳定磁场，而且能够满足大的三角形变和拉长比，以及开展高约束模式的实验研究要求。

EAST先后实现了多项技术的重大突破。与其他托卡马克装置只能将等离子体维持在几秒内相比，EAST实现了大于400秒的长脉冲等离子体运行。2017年，EAST实现了稳定的101.2秒稳态长脉冲高约束等离子体运行，是世界上第一个实现稳态高约束模式运行持续时间达到百秒量级的托卡马克核聚变实验装置。2018 年，EAST又实现了1亿摄氏度等离子体运行，获得了接近未来聚变堆稳态运行模式所需要的物理条件的实验参数等，朝着未来聚变堆实验运行迈出了关键一步。

磁约束聚变堆的工程研究是通往未来能源应用的必要一步，目的是验证其工程的可能性。要完成工程可行性的探索，需要建造一系列不同用途的聚变试验堆，进行必要的等离子体自持燃烧、材料验证、核安全体系建设等方面的研究。在世界各国利用大型托卡马克实验装置进行研究的同时，建造一台大型聚变堆进行工程实验研究也是必要的。截至目前，世界上已经有30多个国家拥有自己的托卡马克裝置，其中尤以ITER最为著名。

位于法国卡达拉舍的国际热核聚变实验反应堆ITER，是目前正在建设的世界上最大的实验性托卡马克核聚变反应堆。该反应堆由7个成员实体资助和运行，分别是欧盟、印度、日本、中国、俄罗斯、韩国和美国。ITER托卡马克装置高约28米，半径约29米，总重约2.4万吨，环向场5.3T，等离子体电流15毫安。其设计的ITER等离子体中心温度将达到1亿～2亿度，如此高的温度是太阳中心温度的10倍左右，这些高温等离子体依靠超导磁体系统产生，并维持兆安量级的等离子体电流。ITER真空室重达8000吨，是保证堆芯无杂质的关键组件，也是辐射防护的第一道屏障。当然，它的最终目的是为了实现功率增益Q大于10。

就工程可行性的研究而言，ITER只能进行有限的聚变堆工程技术实验。为此，国际上除了合作建设ITER之外，许多国家都在积极发展自己的聚变堆计划，但其各自的科学目标略有不同。

不同于EAST，中国的聚变工程试验堆CFETR将研究迈向实用化，直接以未来聚变能应用为目标，是聚变堆发电从实验堆过渡到原型电站不可或缺的工程堆。目前，CFETR 已经完成了总体设计并开始了工程设计，计划于2030年建成，其设计的大半径为7.2米，小半径为2.2米，磁场为6.5T，等离子体电流为14毫安，聚变功率为2000兆瓦（最大值）。

哈萨克斯坦国家核中心（NNC）已启动托卡马克型KTM 聚变堆物理启动的第一阶段工作。这座聚变堆是与俄罗斯紧密合作的成果。它是一个球形装置，内部有一个12.3 立方米的真空室，主要用于为国际热核聚变实验堆（ITER）提供支持——模拟ITER 运行条件下等离子体与材料的相互作用。KTM 能够在高达20 兆瓦/平方米的热负荷下开展材料检测工作，从而为解决聚变堆材料问题提供帮助。

2019 年，克罗地亚德博斯科维奇研究所（RBI）建成了一座双离子束设施。它可以组合来自不同加速器的2 条离子束，能够模拟聚变反应的极端条件，帮助开发足够坚固的新材料。

ITER主机设计图

IETR装置剖面图

托卡马克磁体系统

在过去，可控核聚变的研究往往都是由国家承担，甚至由多国联合实施，因为这种研究难度非常大，往往短期内也看不到盈利的可能性。但近年来出现了公司化运营可控核聚变研究的公司，例如加拿大的通用聚变公司、美国的三阿尔法能源公司、美国的洛克希德·马丁公司等。这些公司采用的技术路线与主流的托卡马克和惯性约束不同，基本都采用了更加紧致的磁约束装置，例如通用聚变公司采用了一种球形托卡马克的磁约束装置，在相同磁场强度下，它比传统托卡马克装置的效率更高，体积更小。虽然这种装置成熟度没有常规托卡马克高，但成本却相对较低，私企公司承受得起。

走进托卡马克内部

无论是哪种托卡马克装置，想要实现稳定的受控核聚变，在其内部必然要求具备极端温度、超高真空、超强磁场和超大电流的条件。仅以我国的EAST 为例，托卡马克装置内部简直可称为鬼斧神工之作。

磁体系统是全超导托卡马克关键的部件之一，其总重量超过装置总重的1/4，总造价同样超过装置总造价的1/4。EAST 的磁体系统共有30 个线圈，包括14 个极向场线圈和16 个纵场线圈。其中极向场线圈又由位于芯部的6 个中心螺线管线圈和外部的8 个大线圈组成，均是通过水平放置运行变化的电流来产生变化的磁场。中心螺线管产生的变化磁场用以激发并加热等离子体，大线圈产生的变化磁场用以控制等离子体的形状和位置。16 个D 形纵场线圈竖直放置，产生的环形稳态磁场用以约束等离子体。

EAST 装置里面的磁体电流主要分为2 种：一种是纵场线圈里流动的恒定超大电流，这种电流可以产生形似甜甜圈一样的超强磁场。另一种是极向场线圈里面流动的可以快速变化的脉冲大电流，这种电流起辅助作用，可以使磁场更加稳定。同时，为了安全有效地控制这些电流的流动，还需要设计一套超导磁体馈线系统。这个系统将产生电流的“电源”与流动电流的“超导磁体”连接起来。这套超导磁体馈线系统实现的不仅是电流的连接和能量的传输，还有不同温区之间温度的过渡和绝缘功能。

在托卡马克装置中，为了产生足够强大的磁场，必须给线圈通过高达数万甚至数十万安培的大电流，这是家用空调电流的数千倍乃至数万倍。普通的铜导线尽管电阻很小，但由于电流很大，会造成很严重的发热问题，一定程度上限制了托卡马克的长时间运行，所以需要代之以超导导线。超导材料是一种在特殊条件下电阻为零的材料，利用这一特性，可以有效避免线圈发热，有利于托卡马克的长时间运行。此外，与普通的铜导线相比，在承载相同电流的条件下，超导体的尺寸更小，有助于托卡马克磁体系统的小型化和紧凑化。在EAST 装置上，距离超高温的核心约1 米远的地方，就是承载超大电流的超导导线。EAST 超导导线使用的是铌钛材料，在低温状态下会出现电阻消失的现象，无论多大的电流，都不会产生发热现象。但为了使超导导线稳定地处在超导状态，需要将其浸入- 269℃ 的液氦中。在EAST 装置上，为了有效隔绝上亿摄氏度的超高温和- 269℃的超低温，采取了一种特殊的隔热手段，那就是真空。真空是一种非常稀的气体状态，里面的粒子密度很低，热传导很慢，所以有着比较优良的隔热性能。因为有它，才能实现2 个极端温度在一个很短的距离内的共存。也因为高真空的存在，才保护了材料不被核心上亿摄氏度的核聚变燃料所烧毁。

科幻片《流浪地球》中的核聚變发动机

EAST装置的真空室分为内真空室和外真空室两大部分。外真空室的作用主要是隔热，而内真空室除了隔热外，更大的作用是作为核聚变反应的容器使用。因此，EAST 装置的内真空室是关键部件之一，其重量约占据整个装置主机总重的1/3。

除了内真空室和外真空室之外，EAST 装置的很多外围系统也需要维持一个很高的真空度，这些真空的获得与维持需要机械泵、罗兹泵、分子泵，低温泵等设备的配合。

这些超越我们认知的极限环境，也真正反映了受控核聚变装置设计的复杂和建造的难度。

未来的核聚变装置

经过几十年的努力，世界各国建造的托卡马克实验装置已逾百座，人类的核聚变研究已经取得了巨大的进步和发展，然而距离实现核聚变能发电的目标，我们需要解决的问题还很多，通往成功的道路依然遥远而漫长。

按照现有的理论基础与托卡马克实验装置对受控核聚变的探索，商用核聚变电站可能会由逐步发展的等离子加热系统、超导线圈、超高真空泵、热交换器、发电机组、电力传输线等部分组成，外形必然不会很小。正如在国产科幻影片《流浪地球》中描绘的那样，裸露在地表上的核聚变发动机都是一座座堪比高山的装置。

那么，未来的核聚变装置会不会随着新技术或者新材料的应用，而与目前可预见的核聚变装置有着截然不同的外观、形状和大小呢？我们不得而知。但是我们可以大胆预测，核聚变装置必然朝着高功率增益、小型化的方向发展。如果可控核聚变得到高效率与大范围的运用，人类不仅能摆脱环境污染和生态破坏问题的困扰，得到一个真正人与自然和平共处的生存环境，而且让地球开始星际旅行的场景或许也能变为现实！

名词解释：

超导材料：具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零，以及排斥磁力线性质的材料。

聚变三重积：等离子体的温度、密度和热能约束时间三者的乘积。该参数直接反映了磁约束核聚变实用化的可能性。