我所認識的核電（5）——人類核能利用的終極目標——受控核聚變之二_風聞

作者：別叫姜總叫姜工——老氣橫秋技術男

——至此，全文轉載已完成，再次感謝本文作者！

目前我國核聚變研究的主力軍是中核集團所屬的核工業西南物理研究院和中國科學院等離子體物理研究所，兩家單位分別擁有我國磁力約束核聚變研究非常重要的託卡馬克裝置中國環流器二號A/M(HL-2A/2M)和東方超環(EAST)

中國環流器二號A(HL-2A)是核工業西南物理研究院利用德國ASDEX裝置主機3大部件配套改建而成。1999年正式動工建設，2002年11月中旬獲得初始等離子體。

HL-2A裝置的使命是研究具有偏濾器位形的託卡馬克物理，包括高參數等離子體的不穩定性、輸運和約束，探索等離子體加熱、邊緣能量和粒子流控制機理，發展各種大功率加熱技術、加料技術和等離子體控制技術等，通過對核聚變前沿物理課題的深入研究和相關工程技術發展，全面提高我國核聚變科學技術水平，為中國下一步研究與發展打好堅實的基礎。

與HL-1M以及當時的國內其它裝置不同，該裝置具有由相應的線圈和靶板組成的偏濾器，可以運行在雙零或單零偏濾器位形。這對開展高約束模(H模)物理和邊緣物理研究及提高等離子體參數是非常關鍵的。

HL-2A裝置大功率加熱系統包括電子迴旋加熱、低雜波和中性束注入系統。電子迴旋共振系統用6 個迴旋管作為微波源，最大功率為3 MW，頻率分別為68 GHz、140 GHz。中性粒子束系統的注入功率為3MW，中性粒子能量為30-50 keV。超聲分子束注入(SMBI)是中國的一項重要原創技術。

HL-2A裝置自運行以來，取得了很多新的研究成果。除了在電子迴旋加熱實驗中獲得了4.9 keV的電子温度，在中性束加熱條件下得到了2.5 keV的離子温度等高參數外，成功實現了高約束模(H模)放電(圖3)，能量約束時間達到150 ms，等離子體總儲能大於78 kJ，在H模物理研究中，觀測到在L-H轉換過程中存在兩種不同的極限環振盪，分別稱為原(Y)型、進(J)型和完整的動態演化過程。這為L-H模轉換的理論和實驗研究提供了新的思路。首次觀測到測地聲模和低頻帶狀流的三維結構;利用超聲分子束調製技術發現了自發的粒子內部輸運壘，為等離子體輸運研究提出了新的課題，在湍流、帶狀流和輸運研究中，觀測到在強加熱L 模放電中高頻湍流能量向低頻帶狀流傳輸，為理解功率閾值提供了新的思路。運用電子迴旋波加熱方式主動控制撕裂膜，改善等離子體約束。HL-2A 上開展的一系列前沿性實驗研究對於中國核聚變事業做出了創新性的貢獻。

圖5-9：環流器二號A（HL-2A）

HL-2M(中國環流器二號M)裝置是HL-2A的改造升級，於2020年12月4日首次放電成功。HL-2M裝置的建造目的是研究未來聚變堆相關物理及其關鍵技術，研究高比壓、高參數的聚變等離子體物理, 為下一步建造聚變堆打好基礎。在高比壓、高參數條件下，研究一系列和聚變堆有關的工程和技術問題。瞄準和ITER物理相關的內容，着重開展和燃燒等離子體物理有關的研究課題,包括等離子體約束和輸運、高能粒子物理、新的偏濾器位型、在高參數等離子體中的加料以及第一壁和等離子體相互作用等。

HL-2M裝置的磁體由20個環向場線圈，歐姆場線圈和16個極向場線圈組成。環形真空室截面呈D形。真空室內安裝上下偏濾器、第一壁及被動控制導體組件等。改造後的HL-2M裝置有以下特點：1）具有大的拉長比和三角形變的等離子體截面，具備獲得高比壓等離子體的基本條件；2）較小的縱橫比，環向場較小的情況下，可以達到3MA的等離子體電流；3）配建大功率加熱系統，以提高等離子體温度和控制等離子體行為，有效控制高比壓等離子體中的主要磁流體不穩定性，包括新經典撕裂模，邊緣局域模，垂直不穩定性和破裂不穩定性等。另外新建一套脈衝容量為300MVA的飛輪脈衝發電機組，建設與HL-2M裝置主機相匹配的磁場電源系統。

圖5-10：環流器二號M（HL-2M）

改造升級後的HL-2M裝置能夠運行在先進的位形下，並具備更強的二級加熱功率，尤其是中性束加熱，從而開展聚變堆和ITER物理相關的聚變科學研究。作為可開展先進託卡馬克運行的一個受控核聚變實驗裝置，HL-2M將成為中國開展與聚變能源密切相關的等離子體物理和聚變科學研究的不可或缺的實驗平台。充分發揮和利用裝置平台靈活、可近性好的特點，結合ITER工程建造和即將開展的物理實驗研究以及國際聚變能研究發展的最新最近成果，在該裝置上開展與聚變能研究相關的物理實驗。

而我國“九五”國家重大科學工程——大型非圓截面全超導託卡馬克核聚變實驗裝置(Experimental Advanced Superconducting Tokamak，EAST)，則是中國科學院等離子體物理研究所在HT-7 成功運行的基礎上自行設計研製建造的國際首個全超導託卡馬克裝置。2000年10月國家發改委正式批准開工建設。2006年1月完成預總裝，2006年3月首次工程調試成功，2006年8月裝置建成。

EAST 裝置主機部分高11 m、直徑8 m、重400 t，由超高真空室、縱場線圈、極向場線圈、內外冷屏、外真空杜瓦、支撐系統等6 大部件組成。EAST 裝置真空室的形狀為D形(非圓截面)。同國際上其他託卡馬克裝置相比，其獨有的非圓截面、全超導及主動冷卻內部結構3 大特性使其更有利於實現穩態長脈衝高參數運行。EAST位形與ITER 相似且更加靈活。

圖5-11：EAST——東方超環

EAST 裝置的目標是：研究託卡馬克長脈衝穩態運行的聚變堆物理和工程技術，構築今後建造全超導託卡馬克反應堆的工程技術基礎。瞄準核聚變能研究前沿，開展穩態、安全、高效運行的先進託卡馬克聚變反應堆基礎物理和工程問題的國內外聯合實驗研究，為核聚變工程試驗堆的設計建造提供科學依據，推動等離子體物理學科其他相關學科和技術的發展。

目前EAST裝置裝備了30 MW以上的輔助加熱和電流驅動系統以及近80 項診斷系統，絕大多數系統均具備高參數穩態運行的能力，可開展先進聚變反應堆的前沿性、探索性研究，為聚變能的前期應用提供重要的工程和物理基礎。

EAST是達到國際先進水平的新一代磁約束核聚變實驗裝置。作為國家重大科學工程之一，EAST的成功建設和物理實驗使中國在磁約束聚變研究領域進入世界前沿，使中國成為世界上重要的聚變研究中心之一。

建成十幾年來，EAST取得了多項重要成果，主要包括：

2009年，獲得穩定重複的60秒等離子體放電；

2010年，實現了100秒長脈衝等離子體放電；

2012年，獲得超過400秒的2000萬攝氏度高參數偏濾器等離子體;獲得穩定重複超過30秒的高約束等離子體放電；

2014年，首次實現重複的完全抑制邊界局域模穩態長脈衝高約束等離子體；

2015年，驗證輔助加熱系統運行能力，實現兩套中性束系統首次協同注入；

2016年1月，實現了電子温度超過5千萬度、持續時間達102秒的超高温長脈衝等離子體放電；

2016年11月，獲得超過60秒的完全非感應電流驅動(穩態)高約束模等離子體，成為世界首個實現穩態高約束模運行持續時間達到分鐘量級的託卡馬克核聚變實驗裝置；

2017年7月，實現了穩定的101.2秒穩態長脈衝高約束等離子體運行，創造了新的世界紀錄；

2018年11月，等離子體中心電子温度首次達到1億度；

2020年4月，等離子體中心電子温度首次實現1億攝氏度運行近10秒，創造了當時的世界紀錄。

除了國內的磁力約束核聚變裝置的建設和研究外，我國還積極參與了國際熱核聚變實驗堆（ITER）項目。

目前我國承擔了ITER建設階段約9%的採購包製造任務。自2008年以來，我國陸續承擔製造了ITER項目最大的場外構件6號極向場線圈合同，以及極向場線圈導體、環形場線圈導體、第一壁、氚增殖模塊等15個採購包。2019年09月20日中科院研製的ITER項目6號極向超導磁體線圈PF6在安徽合肥竣工交付（見圖5-12）。

圖5-12： ITER項目6號極向超導磁體線圈PF6在安徽合肥竣工交付圖5-13：ITER項目環向超導磁體線圈

2019年9月，中科院等離子物理研究所、中國核電工程有限公司、中國核工業二三建設有限公司、核工業西南物理研究院、法國法馬通公司組成的聯合體，成功中標ITER託卡馬克主機TAC-1安裝標段工程。

TAC-1是ITER託卡馬克主機最重要的核心設備安裝工程，類似核電站核島裏的反應堆，也是自我國參與ITER計劃以來通過國際競標獲得的金額最大的工程建造項目。TAC-1標段主要工作是安裝杜瓦結構及杜瓦結構和真空容器之間所有的系統，該安裝標段裝配子任務有400餘項，現場裝配的部件數以萬計，精度要求高，標準嚴苛。與託卡馬克主機最核心的部件超導磁體和饋線系統相關的任務就有240餘項。

當地時間2020年5月28日，在法國南部卡達拉舍， ITER重達1250噸的杜瓦底座平穩落位於託卡馬克裝置基坑內臨時支撐上（見圖5-14、圖5-15和圖5-16），拉開了國際熱核聚變實驗堆（ITER）主設備安裝的序幕。杜瓦底座是ITER託卡馬克裝置“心臟”安裝工作的第一個重大組件，是託卡馬克裝置所有重要設備的基礎，承擔着重要安全屏障作用，其安裝精度、進度都對主體結構及重要部件安裝產生重要影響，本次吊裝安裝不僅是TAC-1標段第一個重要工程節點，也是ITER項目整體進度中的“黃金節點”。此次起吊重量和安裝精度也打破了中國核能行業大件設備吊裝的記錄，中核工程的總承包管理能力，中核二三豐富的安裝經驗，核工業西南院和中科院等離子體所核聚變方面的技術實力都在這次吊裝安裝中得到了充分的體現。

圖5-14： ITER項目廠房內等待安裝的外杜瓦底座圖5-15： ITER項目吊裝中的外杜瓦底座圖5-16： ITER項目就位中的外杜瓦底座

除了積極參與ITER項目，我國目前也在規劃國內的磁力約束核聚變實驗堆項目——中國聚變工程實驗堆（CFETR）。2017年12月5日， “中國聚變工程實驗堆集成工程設計研究”（即CPETR集成工程設計研究）項目啓動會在安徽合肥舉行，會上宣佈中國聚變工程實驗堆(CFETR)正式開始工程設計，計劃2035年建成，中國核聚變研究由此開啓新徵程。

CFETR的聚變功率高達200萬千瓦，是ITER的4倍。相較於目前在建的ITER，CFETR在科學問題上主要解決未來商用聚變示範堆必需的穩態燃燒等離子體的控制，氚的循環與自持，聚變能輸出等ITER 未涵蓋內容；在工程技術與工藝上，重點研究聚變堆材料、聚變堆包層及聚變能發電等ITER 不能開展的工作，掌握並完善建設商用聚變示範堆所需的工程技術。CFETR 的建設不但能為我國進一步獨立自主地開發和利用聚變能奠定堅實的科學技術與工程基礎，而且有望使得我國率先利用聚變能發電、實現能源的跨越式發展成為可能。

CFETR計劃分三階段完成“中國聚變夢”：第一階段到2021年，CFETR開始立項建設；第二階段到2030年，計劃建成聚變工程實驗堆，開始大規模科學實驗；第三階段到2050年，聚變工程實驗堆（原型電站）建成，開始建設聚變商業示範堆。

圖5-17：我國磁力約束核聚變研發時間計劃圖

總的來説，我國在磁力約束受控核聚變領域有先天優勢，再加上機遇很好，目前走到世界第一集團，不是偶然的。

説先天優勢，是因為我國對於能源的重視不是一天兩天了，自1956年的12年科學規劃以來，我國磁力約束核聚變的研究已經進行了半個世紀，積累了大量的經驗。此外我們有一個祖宗留給我們的禮物——內蒙古白雲鄂博的稀土資源。它使得我們的超導工藝並不落後，這是受控核聚變的重要組成部分。

説機遇很好，一方面是當年蘇聯解體，俄羅斯賤賣家底，我們得到了的T-7超託卡馬克，使我們跨越性的認識了這一系統。另一方面，國際扯皮使得ITER拖了近20年，我們贏得了追上去的機會，讓我們在這個關乎人類能源未來的領域佔有了一席之地。試想如果ITER在上個世紀八、九十年代正式開建的話，可能也就沒我們啥事了。

基於目前我國磁力約束受控核聚變技術的發展現狀，我們甚至可以期待未來能在中國點亮人類磁力約束核聚變發電的第一盞燈。

5.2慣性約束核聚變

相較於國際合作廣泛、經常刷屏的磁約束托克馬克聚變堆，慣性約束聚變堆則顯得相當神秘。這是因為慣性約束除了和平利用原子能解決能源問題外，更重要的意義在於研究核爆過程中的多物理問題。這種聚變方式是最接近氫彈爆炸的真實物理過程，這也正是各國低調但又投入大量精力深耕該技術的根本原因。

和採用強磁場約束的託卡馬克裝置不同，慣性約束核聚變是把幾毫克的氘和氚的混合氣體或固體，裝入直徑約幾毫米的小球（靶丸）內。從外面均勻射入激光束或粒子束，將燃料向內壓縮，靶材料形成的等離子體，由於自身慣性還來不及向四周飛散就被加熱到極高温度併發生聚變反應。其典型的整個反應過程主要分四個階段（見圖5-18）。

圖5-18：慣性核聚變的四個階段

（1）靶丸表面吸收激光束能量，在靶丸表面形成等離子燒蝕層；

（2）靶丸表面物質向外噴射，同時產生反作用力，使燃料向心壓縮，就像噴氣飛機氣體往後噴而推動飛機前飛一樣；

（3）通過向心聚爆過程，燃料達到高温高密度狀態；

（4）燃料發生聚變反應，最終向外釋放出巨大能量。

這種爆炸過程時間很短，只有幾個皮秒（1皮等於1萬億分之一秒）。如每秒鐘發生三四次這樣的爆炸並且連續不斷地進行下去，所釋放出的能量就相當於百萬千瓦級的發電站。前蘇聯科學家巴索夫教授在1963年、我國科學家王淦昌院士在1964年分別獨立地提出了利用激光打在聚變燃料靶上來實現受控熱核反應的構想，由此開闢了實現受控熱核聚變反應的新途徑——激光慣性約束聚變。

因為靶丸一般都很小，和黃豆大小相等，而大功率多束激光裝置則是十足的巨無霸，簡直就是一大羣高射炮打蚊子，因此，激光核聚變過程的關鍵就是，如何巧妙設計和佈置激光束瞬間照射在靶丸上。

於是，在激光慣性約束聚變流派下，又分了兩個分支：直接驅動和間接驅動。無論哪種驅動方式，靶丸都是由作為氣體容器的空心微球和球內燃料氣體組成。

直接驅動是將多路激光直接均勻輻照到球型靶上，燒蝕靶表面的燃料產生熱等離子體，激光在等離子體中產生激波從而壓縮靶丸達到點火。但其有兩個基本要求：一是要求激光在電暈區通過碰撞過程有效地被吸收，避免產生過量超熱電子；另一個是要求在燒蝕陣面附近的壓力分佈均勻，對激光光束有高質量要求。

最為突出和知名直接驅動慣性約束核聚變裝置是美國國家點火裝置（National Ignition Facility，NIF），位於舊金山勞倫斯利福摩爾國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory， LLNL)。其最早要追溯到1972年，Nuckolls總結了可以利用激光束內爆來實現聚變的相關研究，如果在靶丸上達到了足夠的壓縮，1千焦的驅動能量就可以獲得大於1的增益。

在1993年，美國能源部正式簽署並批准了國家點火裝置（NIF）的概念設計和研製任務，並將其指標定為3納秒脈寬時輸出1.8MJ，總共192束高功率激光。2009年3月，勞倫斯·利弗莫爾實驗室（LLNL）正式建成了這個耗資數十億美元的巨型激光器，同年5月31日交付使用。

圖5-19：1999年6月10日，直徑10米的靶室正在勞倫斯利弗莫爾國家實驗室吊裝到位

NIF建成後，雖然發展了多種多樣的點火方式，並嘗試了多輪試驗。2012年，該裝置將192束激光束成功融合成一個單一脈衝，峯值功率達到了500萬億瓦，相當於美國在任何特定時刻內全國耗電量的1000多倍，成為人類歷史上發射的能量最大的激光脈衝。

但遺憾的是，截止2020年底，NIF的點火實驗仍未取得成功，其距離真正意義上的點火還有很長的路要走。

間接驅動則是將激光照射到黑腔的高Z內壁上產生X射線，激光能量將大部分轉化為X射線能量，再作用在靶表面，產生燒蝕、壓縮、點火。雖然當前的主流點火方式是直接驅動，但由於美國的直接驅動裝置（NIF）一直沒點火成功，所以探索直接驅動的點火方式也是必然中的選擇，這兩種點火方式各有優缺點，相輔相成，互為補充。

在我國，慣性約束聚變研究在於敏院士多年推動下被列入國家863計劃，制定了慣性約束聚變的發展戰略，並相繼建成了神光-I、神光-II和神光-III激光裝置，2006年建成並投入運行的神光II升級系統（SG II U）是世界上繼美國NIF之後的最穩定的慣性約束激光驅動系統，這些裝置的建成也使得中國慣性約束聚變研究進入了一個嶄新的歷史發展階段。

作為世界各大國相互角力的主戰場，近年來中國的慣性約束核聚變事業迎來了新的一波高潮，新一代慣性核聚變點火裝置——神光IV開始籌劃。其主體工程在2010年就開始啓動，目前已經進入實質性的建造階段，原計劃在2020 年或稍後建成。其中，該系統將包含高達288 路的高功率激光束，其總輸出功率為2MJ，設計功能以間接驅動為主，但同時也兼顧直接驅動。一旦該裝置建成，將進一步提升中國核聚變事業的力量。

圖5-20：神光II升級系統的靶室圖5-21：神光II升級系統的激光主放大系統