核聚變發電的研究現狀與發展趨勢

□張 微 杜 廣 徐國飛

核能已日益成為當今世界的主要能源，其中核裂變技術已經成熟，并被廣泛用于核能發電。核能所占的比例也越來越大。在法國核能占比約76%，在美國核能占比約30%。根據中國核能行業協會統計數據，2017年上半年，我國核能發電量占比約3.90%。根據“十三五”規劃，到2030年，我國核能發電量占比會達到約10%左右。但是中國鈾礦資源稟賦不佳，國內產量難以滿足如此大規模的核電發展需求，從而使得中國鈾礦資源對外依存度逐漸攀升。然而全球鈾礦資源趨于壟斷，嚴重影響我國鈾礦資源的市場安全。因此，不依賴鈾礦的核聚變能源優勢日漸明顯，未來核聚變的發展有可能會成為世界能源的重要組成部分。

一、核聚變能的優點

核聚變是指將兩個較輕的核結合而形成一個較重的核和一個極輕的核(或粒子)的一種核反應。兩個較輕的核在融合過程中產生質量虧損而釋放出巨大的能量。核聚變的最佳燃料是氘與氚，其原料可直接取自海水，來源幾乎取之不盡。以100萬千瓦的電站一年所需燃料比較，如圖1所示。傳統的燃煤電廠需要大約200萬噸煤，燃油電廠需要約130萬噸燃油。核裂變電廠需要約30噸UO2，大約一個火車皮。而核聚變燃料氘的消耗大概0.6噸，大約等同于一輛皮卡的容量。由于資源“無限”，無二氧化碳排放，完全無放射性或無長壽命放射性廢物排放，因此相對于化石能源和裂變核能，核聚變能是人類未來更理想的新能源。

圖1 100萬千瓦電站的燃料消耗比例

二、核聚變發電存在的困難

核裂變能在1945年第一顆原子彈研制成功，僅僅6年后的1951年就實現了核裂變的首次發電，到1954年建成首座核裂變電站以及1960年以后大規模商用，核裂變發電在不到二十年的時間經歷了從幾十到幾百萬千瓦的迅猛發展。核聚變自1952年第一顆氫彈研制成功后，之后的大概40年左右世界各國都成立了等離子體物理研究所進行等離子體物理基礎研究以及近20年來核聚變裝置的大力發展，但是迄今為止核聚變發電仍然沒有實現，存在許多科學和工程上的困難，核聚變發電技術的難度可見一斑。

實現聚變反應必須將聚變燃料加熱至極高溫度并予以有效約束。核聚變通常由三種方式來產生，分別是引力約束、慣性約束和磁約束。太陽就是典型的引力約束聚變，在太陽中心的高溫高壓條件下，氫原子核聚變成氦原子核，并放出大量能量，猶如一個巨大的核聚變反應裝置。氫彈是一種慣性約束聚變，氫彈是一種人工實現的、不可控制的熱核反應。

基于20世紀60年代到90年代世界各國的等離子體物理研究，目前核聚變能的基礎研究已經取得了長足進步，并且已經獲得了最高溫度達2～4億度的聚變燃燒等離子體。核聚變能的開發和研究在磁約束托克馬克裝置上取得了重大進展，發現了一批重要的實驗定標率，而且磁約束聚變已接近“點火”(自持燃燒)的目標。

三、核聚變裝置的發展歷程

(一)國外磁約束核聚變的發展。

1.托克馬克聚變試驗反應堆TFTR(Tokamak Fusion Test Reactor)。TFTR是1980年在普林斯頓等離子體物理實驗室建造并于1982年投入使用的實驗托卡馬克。它是世界上第一個嘗試50比50氘氚燃料的托克馬克裝置，并于1994年發現10MW的聚變輸出功率。TFTR的設計明確目標還包括達到科學盈虧平衡，即等離子體中的聚變反應釋放的熱量是等于或大于由外部裝置提供給等離子體的加熱，以使其加熱。盡管TFTR未能實現這一目標，但確實在限制時間和能量密度方面取得了重大進展。

2.歐洲聯合環狀反應堆JET(Joint European Torus)。JET是世界上已建成的最大常規托卡馬克裝置之一。JET項目位于英國牛津卡勒姆聚變中心，項目開始于20世紀80年代，并于1991年開始氘氚實驗反應，成為世界上第一個成功運行50比50氘氚燃料的核聚變裝置。在1997年，JET實現了約16MW的最高聚變輸出功率，其功率放大因子Q接近1以及Q值為0.2長脈沖平衡，如圖2所示。雖然JET項目沒有突破Q值大于1的目標，但是確開辟了未來磁約束核聚變的道路，為托克馬克裝置的核聚變指明了方向。

圖2 TFTR和JET功率分布曲線

3.國際熱核聚變實驗反應堆ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)。ITER是目前正在建設世界上最大的實驗性托卡馬克核聚變反應堆。該組織成立于2007年，由七個成員實體資助和運行，歐盟、印度、日本、中國、俄羅斯、韓國和美國。該項目預期將持續30年，其中10年用于建設，20年用于運行，耗資超過百億美元。ITER是各國建設實用聚變堆前最重要的共擔風險的堆工程技術和堆物理技術的集成發展研究，為了建造未來具有實用意義的聚變堆奠定基礎。

圖3 ITER托克馬克裝置

ITER的科學目標是聚變功率放大因子Q達到5～10，聚變功率為400～700MW，一次放電聚變燃燒維持時間400～3,000秒。ITER托克馬克裝置高約28米，半徑約29米，總重約2.4萬噸。ITER等離子體中心溫度將達到1億～2億度，如此高的溫度是太陽中心溫度的10倍左右，這些高溫等離子體的產生依靠超導磁體系統產生并維持兆安量級的等離子體電流。ITER真空室重達8,000噸，是保證堆芯無雜質的關鍵組件，也是輻射防護的第一道屏障。

目前ITER場地、廠房和各部件加工正在順利進行，已陸續運抵現場，總裝工作已經開始招標。ITER裝配大廳目前已經建造完成，大廳上方裝配2臺750噸的吊裝設備，用于完成托克馬克裝置的裝配。預計2025年建成并第一次放電，預計2035年前后開始氘氚運行，并逐步實現Q≥10，聚變功率400～700MW以及400～3,000秒的長脈沖放電。

(二)我國磁約束核聚變的發展。

1.中國“東方超環”EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)。EAST是由中科院等離子體物理研究所在1998～2006年研制的世界上首個全超導托克馬克裝置。等離子體物理研究所當時面臨著國際上無建造全超導托克馬克的經驗，無穩態控制及安全運行的技術參考和無快速變化超導磁體技術。他們克服重重困難，獨立完成物理和工程設計，自主研發了所有的關鍵部件，于2006年1月完成了EAST主機總裝。同年9月成功獲得等離子體，并在之后的運行中取得了一系列震驚中外的成果，其中最顯著的就是大于400秒的長脈沖等離子體運行，而實際上其他托克馬克等離子體只能維持幾秒。EAST作出的這些國際一流的成果，對未來ITER科學實驗有重要意義。

圖4 EAST托克馬克裝置

圖5 EAST400秒穩態功率曲線

2.中國環流器一號HL-1。HL-1是由核工業西南物理研究院于1984～1992年研制的，其獨創的超聲分子束注入加料技術以及首次實現的H-mode等離子體，為我國核聚變的研究和開發作出了重要貢獻。2002年成功研制的HL-2A裝置是我國第一個具有先進偏濾器位形的非圓截面的托卡馬克核聚變實驗研究裝置，其主要目標是開展高參數等離子體條件下的改善約束實驗，并利用其獨特的大體積封閉偏濾器結構，開展核聚變領域許多前沿物理課題以及相關工程技術的研究，為我國下一步聚變堆研究與發展提供技術基礎。

四、中國核聚變發電的展望

根據國家“十三五”科學和技術發展規劃，加速開展我國聚變能發展研究，完成國際熱核聚變實驗堆裝置建設中我國承擔的國際熱核聚變實驗堆采購包的設計、認證以及制造技術研發，全面消化吸收國際熱核聚變實驗堆總體設計以及相關技術，開展我國未來磁約束聚變堆的總體設計研究，加快人才培養，建設我國核聚變能研究創新體系。

中國核聚變發電的發展路線應該是明確的即：全超導托克馬克。為了開展我國磁約束聚變堆總體設計研究，中國聚變工程試驗堆CFETR(China Fusion Engineering Test Reactor)項目應運而生，它是聚變堆發電從實驗堆過渡到原型電站不可或缺的工程堆。CFETR目前已經完成了總體設計并開始了工程設計，計劃于2030年建成，一期目標是Q=1～5，聚變功率為200MW，穩態運行。二期目標是Q>10，巨變功率為1GW，穩態運行。

圖6 未來聚變電站

CFETR面臨的挑戰是巨大的，如何保證聚變燃料的穩態燃燒？如何進一步通過包層實現氚的增殖和自持？筆者認為隨著ITER項目的建成和實驗驗證以及我國聚變技術的發展，未來核聚變的發展前途是光明的。從現在起，利用30～50年時間，通過參加和支持ITER項目，通過中國聚變路線圖的實施和CFETR的設計、預研和建造，將為我國開發核聚變能的跨越式發展，為最終實現核聚變能的實際應用作出重要貢獻。