李建剛

中國科學院等離子體物理研究所

一

聚變基本原理

1.基本原理

在探索宇宙奧秘與解決能源危機的雙重驅動下，人類將目光投向了核聚變——這一被譽為“人造太陽”的終極能源解決方案。核聚變，作為自然界中恒星發光發熱的基本原理，其能量釋放巨大且幾乎無放射性廢物產生，理論上是清潔、高效、可持續的理想能源。然而，將這一自然現象轉化為可控的地面應用，面臨著一系列復雜而艱巨的科學技術問題和技術挑戰。

核聚變，又稱核融合、融合反應、聚變反應或熱核反應，即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)的一種核反應形式，原理如圖1 所示。質量小的原子，在一定條件下(如超高溫和高壓)，能讓核外電子擺脫原子核的束縛，兩個原子核能夠互相吸引而碰撞到一起，發生原子核互相聚合作用，生成新的質量更重的原子核，中子雖然質量比較大，但是由于中子不帶電，因此也能夠在這個碰撞過程中逃離原子核的束縛而釋放出來，大量電子和中子的釋放所表現出來的就是巨大的能量釋放。

圖1聚變原理示意圖

自然界存在多種聚變反應，主要的聚變反應都有輕核之間的相互反應，表1是目前主要的聚變反應。

表1主要的輕核聚變反應過程

聚變反應的條件極為苛刻，實現核聚變需要滿足三個基本條件，即聚變反應勞遜條件(溫度、密度、約束時間三重積)：高溫、高密度和長約束時間保持聚變反應環境。為了克服原子核間的庫侖斥力，實現核聚變，必須將物質加熱至極高的溫度。高密度意味著等離子體中的粒子數足夠大，使得原子核之間的碰撞概率增加，從而提高聚變反應的速率。為了使核聚變反應持續進行并產生可觀的能量，必須維持足夠長的時間，這需要有效地約束等離子體。

在上述聚變反應方程式中，只有反應截面較大的過程才容易克服原子核間的庫侖斥力，實現核聚變。圖2 是幾種反應的反應截面。表2 是對應聚變反應實現聚變的勞遜條件。

圖2幾種主要的聚變反應截面(D-D，D-3He，D-D，p-11B)以及最大反應截面所對應的溫度(keV)

表2幾種主要的聚變反應以及實現聚變的勞遜條件

從圖2 中可以看出，D-T聚變反應截面最大，在溫度10~50 keV 之間(對應1 億到5 億度，最大值為20 keV)。從表二中對應的發生聚變反應的勞遜條件為1021keV s/m3。其次是D-3He反應，對應反應截面為100 keV，勞遜條件為1023 keV s/m3，最難實現的是質子-硼(p-11B)反應，所需溫度250 keV(25~50億度)，勞遜條件為5×1024 keV s/m3。所以地球上目前最容易實現聚變條件的是D-T反應，其他方式困難非常大。雖然氫硼在自然界中很易獲得，作為聚變燃料具有很大的優勢，氫硼聚變反應產物為3 個氦He，避免了中子輻照對材料帶來的損傷。但氫硼聚變反應在熱核條件下達不到勞遜條件，其主要原因是：氫硼聚變反應過程中電子軔致輻射損失將超過聚變產生的能量，而氫硼聚變反應需要的極高溫度和很強磁場產生的同步輻射功率損失進一步惡化了聚變反應的條件，損失的能量遠大于加熱的能量，目前尚無實現50 億度(氫硼點火條件)加熱方法。從科學技術兩方面，氫硼路線都無法實現規模商用聚變發電。正是因為這一原理，世界各國大規模聚變國家研究計劃都毫無例外地首選D-T 反應作為人類實現聚變能應用方式。

2.聚變研究的幾種主要方式

目前，全球范圍內的聚變研究主要集中在磁約束聚變和慣性約束聚變兩種主要的技術路徑上。世界上的磁約束聚變裝置主要有托卡馬克、仿星器、磁鏡三種類型；慣性約束聚變的主要方式是激光和Z箍縮。其中，磁約束聚變的最有代表性項目有國際熱核聚變實驗反應堆(ITER)，而慣性約束聚變的代表性項目則有美國的國家點火裝置(NIF)。在實現勞遜條件方面，激光聚變發展最快，美國NIF裝置實現四次點火(能量增益大于1)，最大聚變能量3.15 MJ，Q接近1.8。托卡馬克D-T 聚變的參數最高是歐盟JET 裝置，Q=0.65，最大聚變能量59 MJ。我國超導托卡馬克EAST實現了超過一億度可重復的400 秒高約束放電。圖3 是過去50 年世界各國在聚變研究方面所取得的聚變三重積方面的進展。從圖3 中可以看到激光NIF 參數最高，其次是托卡馬克美國的TFTR裝置。

圖3各種聚變途徑等離子體性能一覽表

二

聚變研究的國內外發展現狀

1.托卡馬克

托卡馬克是20 世紀50 年代由蘇聯科學家發明的，在20 世紀90 年代三大托卡馬克裝置(歐洲JET、日本JT-60U、美國TFTR)就已達到或者接近勞遜條件，也就是核聚變反應功率與外部加熱功率相當的條件，獲得穩定、重復的高性能等離子體，在托卡馬克上獲得的歸一化等離子體聚變增益因子已超過ITER 核聚變示范堆的設計要求，驗證了托卡馬克實現聚變的科學可行性，為實現穩態等離子體燃燒提供了充足的物理和技術基礎。

在近百個托卡馬克豐富的實驗定標率基礎上，開始了國際熱核聚變實驗堆ITER 計劃。ITER 計劃將集成當今國際受控磁約束核聚變研究的主要科學和技術成果，第一次在地球上實現能與未來實用聚變堆規模相比擬的受控熱核聚變實驗堆，解決通向聚變電站的關鍵問題，其目標是全面驗證聚變能源和平利用的科學可行性和工程可行性。ITER具體的科學計劃是在為期十年的第一階段，通過感應驅動獲得聚變功率500 MW、Q大于10、脈沖時間500 s 的燃燒等離子體；第二階段，通過非感應驅動等離子體電流，產生聚變功率大于350 MW、Q大于5、燃燒時間持續3000 s 的等離子體，研究燃燒等離子體的穩態運行，這種高性能的“先進燃燒等離子體”是建造托卡馬克型商用聚變堆所必需的。ITER計劃的另一重要目標是通過建立和維持氘氚燃燒等離子體，檢驗和實現各種聚變工程技術的集成，并進一步研究和發展能直接用于商用聚變堆的相關技術。

圖4國際熱核實驗堆ITER

近十年來，國內外托卡馬克發展得都非常快，世界第一個全超導托卡馬克東方超環EAST(見圖5)已運行了近16 年，實現了1 MA，一億度離子溫度和1000 秒高參數運行三大科學目標。近年來，HL-3裝置建成，實現了1 MA H-mode運行。韓國繼我國之后建成了全超導托卡馬克KSTAR，日本兩年前建成世界最大的超導托卡馬克JT-60SA。世界各大國除了緊密合作建設ITER，都有自己的下一部托卡馬克示范堆發展的規劃，托卡馬克聚變能發展進入到提速階段。

圖5東方超環EAST全超導托卡馬克

2.仿星器

仿星器是一種利用外部線圈產生螺旋磁場約束等離子體的聚變實驗裝置，它的運行不需要等離子體電流，因此具有內在穩態和沒有電流驅動不穩定性的優勢。20 世紀80 年代準軸對稱位形概念的提出，仿星器聚變途徑得到了新的發展動力，陸續提出一些基于磁場位形優化的新概念，最近德國W7-X(圖6)的實驗驗證了先進仿星器概念的可行性和科學性，獲得的等離子體約束性能達到與托卡馬克相當的水平，使其有可能成為第二種達到勞遜條件的磁約束聚變途徑。理論方法和大規模計算能力的突破，一些新的具有精確對稱性質的三維磁位形被發現，使得先進超導仿星器成為目前磁約束聚變研究領域最為活躍的前沿熱點，也使先進超導仿星器成為極具競爭力的備選技術路線。

圖6 W7-X超導仿星器

3.激光聚變

激光聚變最突出的代表就是美國國家聚變點火裝置NIF 裝置(圖7)。NIF 裝置實現4 次熱核聚變點火具有標志性意義，4 次點火分別利用2.05 MJ激光驅動能量，獲得了3.15MJ(Q=1.5)的氘氚聚變放能、2.05 MJ激光驅動能量獲得了3.88 MJ(Q=1.9)放能、1.9 MJ激光驅動能量獲得了2.4 MJ(Q=1.3)放能、2.2 MJ 激光驅動能量獲得了3.4 MJ(Q=1.5) 的放能。這些結果對理解激光與等離子體耦合、不穩定性抑制、內爆過程等重大科學問題研究具重要意義，對實驗室模擬核武器物理研究也具有標志性意義。但對整個點火的過程的理解還需進一步深入，從而實現可重復的點火。

圖7美國國家聚變點火裝置NIF裝置

目前激光慣性約束聚變已進入點火，證明其科學可行性的攻堅時期，在不斷取得顯著進展的同時，又面臨著如何進一步精準認識和有效控制高能量密度等離子體條件下流體力學不穩定性與激光等離子體參量不穩定性等復雜非線性過程的重大困難。國際同行和我國科學家正在同一賽道展開研究和競爭。

4. Z箍縮聚變

直線箍縮裝置(稱為Z-pinch)是一種開端系統的聚變裝置。就是在柱形放電管中通過強大的電流，來使其中的等離子體產生箍縮效應而受到壓縮和加熱，以形成高密度的灼熱等離子體。基于脈沖功率技術的快Z 箍縮技術可以實現驅動器電儲能到Z 箍縮負載動能或X射線輻射能的高效率能量轉換，能量較為充足，驅動器造價相對低廉，并有望實現驅動器重頻運行，將有可能為慣性聚變能提供可用的能量源。

20 世紀末，在美國圣地亞國家實驗室20 MA的Z 箍縮裝置上，產生了峰值功率280 TW、總能1.8 MJ的X射線輻射脈沖，獲得了實驗室等離子體中最強的X射線輻射源，電能到X射線的轉換效率高達15%。中國工程物理研究院已形成了脈沖功率驅動器、Z箍縮物理理論與數值模擬、實驗與診斷、負載制備、制靶技術等Z 箍縮方面的專業研究隊伍，已經開始國家大科學工程50 MA Z箍縮裝置的建設，預期建成后的設施國際領先，可以開展Z箍縮聚變科學可行性研究工作。

圖8美國圣地亞國家實驗室20 MAZ箍縮裝置

聚變研究的最重要的目標就是實現聚變發電。對于未來聚變發電，不但要穩定、可靠、重復地實現高效點火，同時還要長時間地實現對燃燒等離子體進行約束和控制。而對聚變堆所需的燃燒等離子體長時間約束和穩定控制則難度更大。圖9 是聚變各種途徑活動的聚變等離子體三重積的數值和持續的時間。慣性約束尚未實現重頻連續放電，磁約束聚變的結果顯示，隨著等離子體持續時間延長，等離子體的性能在不斷下降，圖9 中右上角是未來聚變實驗堆和示范堆所需的三重積和持續時間。數據清楚地表明，我們目前與這個目標參數差距依然很大。

圖9聚變各種途徑最高參數進展

三

聚變研究的主要科學技術問題

聚變研究開展已超過半個世紀但依然沒有攻破，其原因就是它面臨一系列困難極大的科學技術問題和工程挑戰。在科學方面，首先是聚變等離子體里邊各種不穩定性的機理及其有效控制。無論是磁約束聚變，還是慣性約束，在等離子體里面都存在著大量的各種的不穩定性，這些不穩定性都會對等離子體的約束和性能造成巨大的危害。這依然是目前沒有徹底解決的問題，主要就是對這些不穩定性機理的理解，以及根據這些理解對其進行有效的控制。針對聚變反應磁流體穩定性的問題，研究人員正在開發更為先進的等離子體診斷技術，用于測量和物理的理解。同時通過改進聚變裝置的設計，增強磁場的均勻性和強度，可以更有效地限制高溫等離子體不穩定性的發展，減少能量損失。同時，利用高精度的傳感器和實時數據分析軟件，能夠對等離子體狀態進行精確監控和快速調整，從而提高反應的穩定性。

第二是阿爾法粒子在達到點火條件以后對等離子體性能的影響。未來的聚變反應堆。特別是在Q>10 的情況下，阿爾法粒子所占的份額將超過80%，這些高能的粒子對等離子體的約束輸運以及有效加熱目前還沒有開展過經過實驗驗證、尚未有完整的數據。雖然理論上講以及我們一些實驗的外推，在未來ITER=10 的情況下，阿爾法粒子是穩定的，但對于未來商用堆(Q>30)的情況下，阿爾法粒子所起的作用以及眾多的非線性不穩定性，比如說波和粒子的相互作用，在機理上還不完全清楚。因此，建設相應的實驗裝置，開展實現高Q實驗條件科學研究是下一段聚變研究的最主要的方向之一。

第三是在長時間D-T燃燒等離子體條件下，等離子體與第一壁材料的相互作用依然是沒有經過實驗驗證的一個重要的難題。根據JET 托克馬克D-T實驗的結果，該裝置分別用碳和鎢作為第一壁材料約束性能差別很大。在鎢材料條件下，等離子體性能下降很多。未來聚變堆使用鎢材料對實現聚變反應更具挑戰，尤其是在長時間尺度下，材料與等離子體的相互作用，鎢雜質輸運到等離子體對等離子體的性能退化起到重要的作用，這一長時間的相互作用的機理以及實驗的結果尚不充分。這是未來任何一種途徑建設聚變反應堆，都要面對的科學和技術問題。

在聚變堆建設的過程中，主要的工程技術挑戰如下。

首先是保證等離子體連續運行所需要的條件。對于磁約束聚變來說，高性能超導磁體是關鍵。隨著ITER 的建設以及各國對示范堆預研的發展，未來托克馬克聚變的大型高性能超導磁體的技術已經接近示范堆的水平。特別是，隨著高溫超導技術的發展，未來商用堆可以利用高溫超導和低溫超導的混合，制造成具備超大型、高磁場強度的混合型超導磁體。

對于慣性約束來說，實現高效的重頻激光器、高性能的Z箍縮重頻點火電源，依然處于研發的階段。連續、高效、可靠、長壽命的重頻技術是未來必須要解決的重大技術問題。另一方面，精密、快速聚變靶的安放與定位，以及靶與外加驅動器(如激光或X射線)的高效耦合依然處于探索階段。未來，聚變堆的慣性約束要實現至少是1-10 赫茲的重頻頻率，在這種條件下靶的精密定位安裝以及與驅動光源的耦合依然是一個巨大的挑戰。

其次是聚變堆材料。未來的聚變堆是要承受高劑量的中子輻照。每年結構材料所承受的中子輻照分別為10~30 個dpa(dpa 是輻照損傷劑量單位，定義為在給定注量下每個原子平均的離位次數)。如果按10 年換料來運行，聚變堆的材料所能夠承受的dpa 值要在200~300 dpa 的水平。目前條件下，科學家和工程師尚未研發出能夠滿足這么高中子輻照劑量的材料。因此無論是哪一種聚變，需要研發出200~300 dpa的低活化聚變材料。

第三個重要的技術問題是氚的實時產生和在線回收。自然界中沒有氚，未來的DT聚變反應堆必須要在聚變堆中實時地利用鋰6 和中子的相互作用來實時地產生氚。并將這些產生的氚分離提純回收并實時用于聚變堆的在線聚變反應。這一過程我們稱之為聚變堆氚的增值包層，其目的就是要實時產氚，同時把中子產生的能量變為熱能用于聚變熱能發電。在過去的幾十年中，小規模的實驗模擬這一過程已經進行得比較充分。理論和實驗模擬的誤差已經小于10%。但是大規模實時的氚的產生提取并長時間地連續運行，要在下一個聚變堆，如ITER 或者其他的慣性約束上得以實驗和驗證才能外推到未來的聚變示范堆和商用堆。為了提高聚變反應的效率，科學家們正在探索新的燃料循環方案和能量回收機制。比如，研究使用氘-氚(D-T)以外的其他核素燃料(混合堆概念)，這些組合可能產生更少的D-T中子，降低對設備的損害。此外，開發高效的能量捕獲系統，如直接轉換技術，可以將更多的聚變能直接轉化為電能，減少中間環節的能量損耗。

聚變安全性和環境影響的研究也在不斷深入。聚變反應本身不產生溫室氣體排放，且放射性廢物相對較少，是一種相對清潔的能源。然而，確保長期運行的安全性和最小化環境影響仍然是研究的重點。通過嚴格的安全標準和持續的環境監測，可以最大限度地減少潛在風險，為大規模安全、可靠、經濟適用聚變能奠定基礎。

四

聚變研究的未來發展

隨著美國激光聚變的點火成功以及俄烏戰爭以來世界各國對能源的需求以及對能源安全的考慮，近年來，國際聚變進入了快速發展階段。世界各科技強國在參與ITER 建設的同時，重新審視和調整了聚變能開發策略和路線圖，紛紛增加投入，加快部署下一代聚變裝置的設計和研發，加速推進聚變能開發應用，各國政府都建立了各自的聚變快速發展的路線圖。美國明確2035 年將努力實現聚變并網，英國目標是2040 年，日本韓國俄羅斯都相應地提出在2040 年到2050 年開始聚變商用的規劃。特別是在過去的5 年中，世界各國大量的私人公司的成立，如雨后春筍般地發展。私人資本的投入已經超過了國力投入的三倍，已經成立了近60 家的私人公司，總投入超過了上百億美元。隨著這些私人聚變公司的成立，聚變的各種途徑，各種技術正在快速地發展。

在磁約束聚變方面，隨著ITER 裝置建成和實驗運行的日益臨近，核聚變能正在從科學研究走向工程應用，2020 年韓國KSTAR裝置實現了離子溫度1 億攝氏度維持20 秒運行；2021 年美國SPARC核心部件高溫超導磁體線圈首次提高到20 特斯拉的場強；2022 年歐洲JET 在5 秒內產生了59 兆焦耳氘氚聚變能量輸出；2022 年我國EAST實現千秒級高溫等離子體放電等，使得基于超導托卡馬克途徑實現核聚變能商用的信心越來越堅定。

我國正式加入ITER 計劃以來，國家設立了ITER 計劃專項，部署國家磁約束核聚變能整體發展，在超導托卡馬克關鍵工程技術、相關物理實驗方面步入世界先進水平；我國全面參與ITER 的建造和管理，大幅提高了技術研發和重要部件制造能力，正在逐步開展標準化體系和知識產權體系建設工作；形成了一支穩定的、有國際競爭力的核聚變能研發和管理隊伍，顯著提升了我國自主創新能力。2019 年國家發改委部署了聚變堆主機關鍵系統重大基礎設施，開展聚變堆部件的預研。科技部、發改委都在部署未來我國磁約束聚變的發展規劃和重大研究項目，瞄準2050 年開始磁約束聚變的商業進程。在慣性約束方面，國家在Z箍縮研究方面也設立了重大基礎設施。在激光聚變方面也有下一步明確的點火目標。國內也建立了數個民營企業，在不同的方式方法方面開始快速的技術和聚變能的商業應用發展。隨著國際聚變研發的不斷深入，我國也步入聚變研究的最前沿，下一個十年不但是聚變研究在科學、技術、工程三方面會有較大的突破，同時也是世界各科技大國搶占聚變研發制高點的競爭期。

盡管現在眾多的商業公司在一些不同的概念方面進行探索，從科學和技術兩方面來考慮，目前的途徑依然是磁約束的托克馬克和仿星器、慣性約束的激光聚變和Z箍縮為主流，其他的方式離實現聚變能的大規模應用的可能性都比較小。但是盡管如此，一些私人公司在一些專門技術方面的探索，對未來的發展還是有益的。經濟性方面，隨著技術的成熟和規模化生產，聚變能的成本有望逐步降低。政府和私人部門投資的增加，為聚變能的研發提供了強大的資金支持。此外，國際合作項目的推進有助于共享資源和技術，加速聚變能的商業化進程。

雖然聚變能的發展道路仍然充滿挑戰，但隨著科學技術的不斷進步和全球合作的加強，我們有理由對未來持樂觀態度。聚變能作為一種幾乎無限的清潔能源，有朝一日將成為推動人類社會可持續發展的重要力量。

五

結語

綜上所述，核聚變技術的發展之路布滿荊棘，從理論驗證到工程實踐，每一步都需跨越重重障礙。然而，正是這些挑戰激發了全球科學家的創新熱情，推動著人類不斷向更高效、更環保的能源未來邁進。隨著國際合作的加深和技術的持續突破，我們有理由相信，“人造太陽”的光輝終將照亮地球的每一個角落。

本文轉載自《現代物理知識雜志》微信公眾號

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