探秘受控核聚變

龍琛芮

科技的魅力不僅僅體現在它的原理方面，而且也體現在它的應用范圍。然而，目前在許多科技領域我們僅能探究它的原理，應用的大門卻遲遲未能打開。受控核聚變因為是一種能夠一勞永逸地解決能源問題的終極手段，因而對人類充滿誘惑，散發著無限魔力，可惜，它正屬于尚未打開應用之門的領域。自核聚變原理在1933年被提出以來，世界范圍內的科學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，也是社會發展和經濟增長最基本的驅動力。而核聚變能與其他能源相比，不僅具有能量大、無核廢料、較為清潔的巨大優勢，而且燃料供應量大、事故風險率低。

那么，怎樣才能讓我們肉眼看不到的原子核級別的反應受控于人類，使它們能夠按照人類的預期和把控的節奏進行反應？眾所周知，要想實現能源的利用，輸出的能量一定要遠大于輸入的能量，而可控核聚變能的利用，不僅僅需要理論的支撐，而且還需要實踐的驗證。雖然圍繞受控核聚變的物理研究與技術開發已經開展了半個多世紀，但是由于技術水平和材料的限制，對于我們而言，目前需要達到可控核聚變的條件還非常苛刻，所以還未實現核聚變能的大規模可控利用。但隨著國際合作的深入，以及各國政府與企業等多方發力，可控核聚變能在具備理論基礎與項目實踐推動的背景下，已經在全世界掀起了不小的波瀾。那么，當前實現可控核聚變的方法有哪些？ 如今已發展到了哪一步？各國不同類型的可控核聚變裝置和設備都有哪些？哪一種最有可能最先被推廣應用？這都值得我們一探究竟。

一朝成名的托卡馬克

要想實現聚變反應，必須將聚變燃料加熱至極高的溫度并予以有效約束。實現聚變反應通常有磁約束法和慣性約束法2 種方法。目前，我們實現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，主要由激發等離子體電流的變壓器（鐵芯或空芯）、產生環向磁場的線圈、控制等離子體平衡的平衡場線圈和環形真空室組成。

托卡馬克在誕生之初，并未受到很多關注。直到1968 年的國際原子能機構大會上，蘇聯科學家宣布他們在T-3 托卡馬克裝置上取得的參數比美國的仿星器高出10 多倍時，這一實驗結果才在磁約束核聚變研究領域引發了前所未有的轟動。從此，托卡馬克磁約束核聚變的研究進入了一個新時代，大大小小的托卡馬克裝置如雨后春筍般涌現，并因其具備先進的理論研究方向和實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合環狀反應堆JET，是世界上已建成的大型常規托卡馬克裝置。JET 集合了歐洲頂級的科學家、工業技術人員和有創新意識的管理團隊，是整個歐洲核聚變規劃的一艘旗艦，無論在科學技術或科學管理上，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，才具有實際意義。JET以其D形環向場線圈、真空容器以及大體積強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而實現了人類首次核聚變的能量輸出大于輸入，從實驗上證明了托卡馬克裝置實現受控核聚變發電具有科學可行性。

TFTR

JET

JT-60

EAST

美國托卡馬克聚變試驗反應堆TFTR，是1980年在普林斯頓等離子體物理實驗室建造，并于1982年投入使用的大型托卡馬克實驗裝置。它是世界上第一個嘗試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展。雖然TFTR裝置已于1997年關停，但是它的嘗試，在核聚變約束時間和能量密度研究方面作出了重大貢獻，積累的經驗為之后裝置的設計和建造提供了重要的參照。

日本的JT-60自1985年投入運行。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目的代表性裝置，同時也是世界磁約束核聚變領域的明星裝置。自投入運行以來，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三重積的最高世界紀錄。1991年，JT-60托卡馬克裝置升級為了JT-60U，改造后提高了核聚變等離子體的約束性能，并且在穩態運行實驗中取得了良好的效果，其功率增益因子大于1.3。JT-60U于2008年停止運行，后續將再次升級，通過改造等離子體位形，升級等離子體體積，更換超導磁體，使其成為一個全超導托卡馬克裝置。

從20世紀60年代開始，我國也開始布局受控核聚變領域的研究工作，在托卡馬克核聚變裝置的發展上，有環流器一號及新一號（HL-1/1M）、環流器二號A（HL-2A）、環流器二號M（HL-2M）和“東方超環”EAST相繼問世。EAST是世界上第一個全超導托卡馬克裝置，其內部30個主線圈全部采用了超導材料，其核心是一個具有非圓小截面的大型超導托卡馬克實驗裝置，此外還包括控制系統、數據采集系統、波加熱系統、波驅動電流系統、底紋系統、真空系統、診斷系統、電源系統以及公共基礎設施等一些重要的子系統。其主機的縱場和極向場均采用了超導磁體，真空室為獨特的非圓截面，不僅可提供穩態的等離子體約束，成形并平衡所需的穩定磁場，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驗研究要求。

EAST先后實現了多項技術的重大突破。與其他托卡馬克裝置只能將等離子體維持在幾秒內相比，EAST實現了大于400秒的長脈沖等離子體運行。2017年，EAST實現了穩定的101.2秒穩態長脈沖高約束等離子體運行，是世界上第一個實現穩態高約束模式運行持續時間達到百秒量級的托卡馬克核聚變實驗裝置。2018 年，EAST又實現了1億攝氏度等離子體運行，獲得了接近未來聚變堆穩態運行模式所需要的物理條件的實驗參數等，朝著未來聚變堆實驗運行邁出了關鍵一步。

磁約束聚變堆的工程研究是通往未來能源應用的必要一步，目的是驗證其工程的可能性。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試驗堆，進行必要的等離子體自持燃燒、材料驗證、核安全體系建設等方面的研究。在世界各國利用大型托卡馬克實驗裝置進行研究的同時，建造一臺大型聚變堆進行工程實驗研究也是必要的。截至目前，世界上已經有30多個國家擁有自己的托卡馬克裝置，其中尤以ITER最為著名。

位于法國卡達拉舍的國際熱核聚變實驗反應堆ITER，是目前正在建設的世界上最大的實驗性托卡馬克核聚變反應堆。該反應堆由7個成員實體資助和運行，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，環向場5.3T，等離子體電流15毫安。其設計的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8000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。當然，它的最終目的是為了實現功率增益Q大于10。

就工程可行性的研究而言，ITER只能進行有限的聚變堆工程技術實驗。為此，國際上除了合作建設ITER之外，許多國家都在積極發展自己的聚變堆計劃，但其各自的科學目標略有不同。

不同于EAST，中國的聚變工程試驗堆CFETR將研究邁向實用化，直接以未來聚變能應用為目標，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。目前，CFETR 已經完成了總體設計并開始了工程設計，計劃于2030年建成，其設計的大半徑為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）已啟動托卡馬克型KTM 聚變堆物理啟動的第一階段工作。這座聚變堆是與俄羅斯緊密合作的成果。它是一個球形裝置，內部有一個12.3 立方米的真空室，主要用于為國際熱核聚變實驗堆（ITER）提供支持——模擬ITER 運行條件下等離子體與材料的相互作用。KTM 能夠在高達20 兆瓦/平方米的熱負荷下開展材料檢測工作，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，能夠模擬聚變反應的極端條件，幫助開發足夠堅固的新材料。

ITER主機設計圖

IETR裝置剖面圖

托卡馬克磁體系統

在過去，可控核聚變的研究往往都是由國家承擔，甚至由多國聯合實施，因為這種研究難度非常大，往往短期內也看不到盈利的可能性。但近年來出現了公司化運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，在相同磁場強度下，它比傳統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托卡馬克高，但成本卻相對較低，私企公司承受得起。

走進托卡馬克內部

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

磁體系統是全超導托卡馬克關鍵的部件之一，其總重量超過裝置總重的1/4，總造價同樣超過裝置總造價的1/4。EAST 的磁體系統共有30 個線圈，包括14 個極向場線圈和16 個縱場線圈。其中極向場線圈又由位于芯部的6 個中心螺線管線圈和外部的8 個大線圈組成，均是通過水平放置運行變化的電流來產生變化的磁場。中心螺線管產生的變化磁場用以激發并加熱等離子體，大線圈產生的變化磁場用以控制等離子體的形狀和位置。16 個D 形縱場線圈豎直放置，產生的環形穩態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的恒定超大電流，這種電流可以產生形似甜甜圈一樣的超強磁場。另一種是極向場線圈里面流動的可以快速變化的脈沖大電流，這種電流起輔助作用，可以使磁場更加穩定。同時，為了安全有效地控制這些電流的流動，還需要設計一套超導磁體饋線系統。這個系統將產生電流的“電源”與流動電流的“超導磁體”連接起來。這套超導磁體饋線系統實現的不僅是電流的連接和能量的傳輸，還有不同溫區之間溫度的過渡和絕緣功能。

在托卡馬克裝置中，為了產生足夠強大的磁場，必須給線圈通過高達數萬甚至數十萬安培的大電流，這是家用空調電流的數千倍乃至數萬倍。普通的銅導線盡管電阻很小，但由于電流很大，會造成很嚴重的發熱問題，一定程度上限制了托卡馬克的長時間運行，所以需要代之以超導導線。超導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熱，有利于托卡馬克的長時間運行。此外，與普通的銅導線相比，在承載相同電流的條件下，超導體的尺寸更小，有助于托卡馬克磁體系統的小型化和緊湊化。在EAST 裝置上，距離超高溫的核心約1 米遠的地方，就是承載超大電流的超導導線。EAST 超導導線使用的是鈮鈦材料，在低溫狀態下會出現電阻消失的現象，無論多大的電流，都不會產生發熱現象。但為了使超導導線穩定地處在超導狀態，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，里面的粒子密度很低，熱傳導很慢，所以有著比較優良的隔熱性能。因為有它，才能實現2 個極端溫度在一個很短的距離內的共存。也因為高真空的存在，才保護了材料不被核心上億攝氏度的核聚變燃料所燒毀。

科幻片《流浪地球》中的核聚變發動機

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

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

這些超越我們認知的極限環境，也真正反映了受控核聚變裝置設計的復雜和建造的難度。

未來的核聚變裝置

經過幾十年的努力，世界各國建造的托卡馬克實驗裝置已逾百座，人類的核聚變研究已經取得了巨大的進步和發展，然而距離實現核聚變能發電的目標，我們需要解決的問題還很多，通往成功的道路依然遙遠而漫長。

按照現有的理論基礎與托卡馬克實驗裝置對受控核聚變的探索，商用核聚變電站可能會由逐步發展的等離子加熱系統、超導線圈、超高真空泵、熱交換器、發電機組、電力傳輸線等部分組成，外形必然不會很小。正如在國產科幻影片《流浪地球》中描繪的那樣，裸露在地表上的核聚變發動機都是一座座堪比高山的裝置。

那么，未來的核聚變裝置會不會隨著新技術或者新材料的應用，而與目前可預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測，核聚變裝置必然朝著高功率增益、小型化的方向發展。如果可控核聚變得到高效率與大范圍的運用，人類不僅能擺脫環境污染和生態破壞問題的困擾，得到一個真正人與自然和平共處的生存環境，而且讓地球開始星際旅行的場景或許也能變為現實！

名詞解釋：

超導材料：具有在一定的低溫條件下呈現出電阻等于零，以及排斥磁力線性質的材料。

聚變三重積：等離子體的溫度、密度和熱能約束時間三者的乘積。該參數直接反映了磁約束核聚變實用化的可能性。