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(jī)的雙重驅(qū)動(dòng)下，人類將目光投向了核聚變——這一被譽(yù)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(fā)光發(fā)熱的基本原理，其能量釋放巨大且?guī)缀鯚o放射性廢物產(chǎn)生，理論上是清潔、高效、可持續(xù)的理想能源。然而，將這一自然現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為可控的地面應(yīng)用，面臨著一系列復(fù)雜而艱巨的科學(xué)技術(shù)問題和技術(shù)挑戰(zhàn)。

核聚變，又稱核融合、融合反應(yīng)、聚變反應(yīng)或熱核反應(yīng)，即兩個(gè)較輕的核結(jié)合而形成一個(gè)較重的核和一個(gè)極輕的核(或粒子)的一種核反應(yīng)形式，原理如圖1 所示。質(zhì)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(gè)原子核能夠互相吸引而碰撞到一起，發(fā)生原子核互相聚合作用，生成新的質(zhì)量更重的原子核，中子雖然質(zhì)量比較大，但是由于中子不帶電，因此也能夠在這個(gè)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(xiàn)出來的就是巨大的能量釋放。

圖1聚變?cè)硎疽鈭D

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

表1主要的輕核聚變反應(yīng)過程

聚變反應(yīng)的條件極為苛刻，實(shí)現(xiàn)核聚變需要滿足三個(gè)基本條件，即聚變反應(yīng)勞遜條件(溫度、密度、約束時(shí)間三重積)：高溫、高密度和長(zhǎng)約束時(shí)間保持聚變反應(yīng)環(huán)境。為了克服原子核間的庫侖斥力，實(shí)現(xiàn)核聚變，必須將物質(zhì)加熱至極高的溫度。高密度意味著等離子體中的粒子數(shù)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(yīng)的速率。為了使核聚變反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行并產(chǎn)生可觀的能量，必須維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間，這需要有效地約束等離子體。

在上述聚變反應(yīng)方程式中，只有反應(yīng)截面較大的過程才容易克服原子核間的庫侖斥力，實(shí)現(xiàn)核聚變。圖2 是幾種反應(yīng)的反應(yīng)截面。表2 是對(duì)應(yīng)聚變反應(yīng)實(shí)現(xiàn)聚變的勞遜條件。

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

表2幾種主要的聚變反應(yīng)以及實(shí)現(xiàn)聚變的勞遜條件

從圖2 中可以看出，D-T聚變反應(yīng)截面最大，在溫度10~50 keV 之間(對(duì)應(yīng)1 億到5 億度，最大值為20 keV)。從表二中對(duì)應(yīng)的發(fā)生聚變反應(yīng)的勞遜條件為1021keV s/m3。其次是D-3He反應(yīng)，對(duì)應(yīng)反應(yīng)截面為100 keV，勞遜條件為1023 keV s/m3，最難實(shí)現(xiàn)的是質(zhì)子-硼(p-11B)反應(yīng)，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(shí)現(xiàn)聚變條件的是D-T反應(yīng)，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?nèi)剂暇哂泻艽蟮膬?yōu)勢(shì)，氫硼聚變反應(yīng)產(chǎn)物為3 個(gè)氦He，避免了中子輻照對(duì)材料帶來的損傷。但氫硼聚變反應(yīng)在熱核條件下達(dá)不到勞遜條件，其主要原因是：氫硼聚變反應(yīng)過程中電子軔致輻射損失將超過聚變產(chǎn)生的能量，而氫硼聚變反應(yīng)需要的極高溫度和很強(qiáng)磁場(chǎng)產(chǎn)生的同步輻射功率損失進(jìn)一步惡化了聚變反應(yīng)的條件，損失的能量遠(yuǎn)大于加熱的能量，目前尚無實(shí)現(xiàn)50 億度(氫硼點(diǎn)火條件)加熱方法。從科學(xué)技術(shù)兩方面，氫硼路線都無法實(shí)現(xiàn)規(guī)模商用聚變發(fā)電。正是因?yàn)檫@一原理，世界各國大規(guī)模聚變國家研究計(jì)劃都毫無例外地首選D-T 反應(yīng)作為人類實(shí)現(xiàn)聚變能應(yīng)用方式。

2.聚變研究的幾種主要方式

目前，全球范圍內(nèi)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(shù)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(xiàng)目有國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆(ITER)，而慣性約束聚變的代表性項(xiàng)目則有美國的國家點(diǎn)火裝置(NIF)。在實(shí)現(xiàn)勞遜條件方面，激光聚變發(fā)展最快，美國NIF裝置實(shí)現(xiàn)四次點(diǎn)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(shù)最高是歐盟JET 裝置，Q=0.65，最大聚變能量59 MJ。我國超導(dǎo)托卡馬克EAST實(shí)現(xiàn)了超過一億度可重復(fù)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?nèi)胤e方面的進(jìn)展。從圖3 中可以看到激光NIF 參數(shù)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(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.托卡馬克

托卡馬克是20 世紀(jì)50 年代由蘇聯(lián)科學(xué)家發(fā)明的，在20 世紀(jì)90 年代三大托卡馬克裝置(歐洲JET、日本JT-60U、美國TFTR)就已達(dá)到或者接近勞遜條件，也就是核聚變反應(yīng)功率與外部加熱功率相當(dāng)?shù)臈l件，獲得穩(wěn)定、重復(fù)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?cè)鲆嬉蜃右殉^ITER 核聚變示范堆的設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了托卡馬克實(shí)現(xiàn)聚變的科學(xué)可行性，為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)等離子體燃燒提供了充足的物理和技術(shù)基礎(chǔ)。

在近百個(gè)托卡馬克豐富的實(shí)驗(yàn)定標(biāo)率基礎(chǔ)上，開始了國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER 計(jì)劃。ITER 計(jì)劃將集成當(dāng)今國際受控磁約束核聚變研究的主要科學(xué)和技術(shù)成果，第一次在地球上實(shí)現(xiàn)能與未來實(shí)用聚變堆規(guī)模相比擬的受控?zé)岷司圩儗?shí)驗(yàn)堆，解決通向聚變電站的關(guān)鍵問題，其目標(biāo)是全面驗(yàn)證聚變能源和平利用的科學(xué)可行性和工程可行性。ITER具體的科學(xué)計(jì)劃是在為期十年的第一階段，通過感應(yīng)驅(qū)動(dòng)獲得聚變功率500 MW、Q大于10、脈沖時(shí)間500 s 的燃燒等離子體；第二階段，通過非感應(yīng)驅(qū)動(dòng)等離子體電流，產(chǎn)生聚變功率大于350 MW、Q大于5、燃燒時(shí)間持續(xù)3000 s 的等離子體，研究燃燒等離子體的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，這種高性能的“先進(jìn)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(jì)劃的另一重要目標(biāo)是通過建立和維持氘氚燃燒等離子體，檢驗(yàn)和實(shí)現(xiàn)各種聚變工程技術(shù)的集成，并進(jìn)一步研究和發(fā)展能直接用于商用聚變堆的相關(guān)技術(shù)。

圖4國際熱核實(shí)驗(yàn)堆ITER

近十年來，國內(nèi)外托卡馬克發(fā)展得都非常快，世界第一個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克東方超環(huán)EAST(見圖5)已運(yùn)行了近16年，實(shí)現(xiàn)了1 MA，一億度離子溫度和1000秒高參數(shù)運(yùn)行三大科學(xué)目標(biāo)。近年來，HL-3裝置建成，實(shí)現(xiàn)了1 MA H-mode運(yùn)行。韓國繼我國之后建成了全超導(dǎo)托卡馬克KSTAR，日本兩年前建成世界最大的超導(dǎo)托卡馬克JT-60SA。世界各大國除了緊密合作建設(shè)ITER，都有自己的下一部托卡馬克示范堆發(fā)展的規(guī)劃，托卡馬克聚變能發(fā)展進(jìn)入到提速階段。

圖5東方超環(huán)EAST全超導(dǎo)托卡馬克

2.仿星器

仿星器是一種利用外部線圈產(chǎn)生螺旋磁場(chǎng)約束等離子體的聚變實(shí)驗(yàn)裝置，它的運(yùn)行不需要等離子體電流，因此具有內(nèi)在穩(wěn)態(tài)和沒有電流驅(qū)動(dòng)不穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)。20 世紀(jì)80 年代準(zhǔn)軸對(duì)稱位形概念的提出，仿星器聚變途徑得到了新的發(fā)展動(dòng)力，陸續(xù)提出一些基于磁場(chǎng)位形優(yōu)化的新概念，最近德國W7-X(圖6)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了先進(jìn)仿星器概念的可行性和科學(xué)性，獲得的等離子體約束性能達(dá)到與托卡馬克相當(dāng)?shù)乃剑蛊溆锌赡艹蔀榈诙N達(dá)到勞遜條件的磁約束聚變途徑。理論方法和大規(guī)模計(jì)算能力的突破，一些新的具有精確對(duì)稱性質(zhì)的三維磁位形被發(fā)現(xiàn)，使得先進(jìn)超導(dǎo)仿星器成為目前磁約束聚變研究領(lǐng)域最為活躍的前沿?zé)狳c(diǎn)，也使先進(jìn)超導(dǎo)仿星器成為極具競(jìng)爭(zhēng)力的備選技術(shù)路線。

圖6 W7-X超導(dǎo)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(diǎn)火裝置NIF 裝置(圖7)。NIF 裝置實(shí)現(xiàn)4 次熱核聚變點(diǎn)火具有標(biāo)志性意義，4 次點(diǎn)火分別利用2.05 MJ激光驅(qū)動(dòng)能量，獲得了3.15MJ(Q=1.5)的氘氚聚變放能、2.05 MJ激光驅(qū)動(dòng)能量獲得了3.88 MJ(Q=1.9)放能、1.9 MJ激光驅(qū)動(dòng)能量獲得了2.4 MJ(Q=1.3)放能、2.2 MJ 激光驅(qū)動(dòng)能量獲得了3.4 MJ(Q=1.5) 的放能。這些結(jié)果對(duì)理解激光與等離子體耦合、不穩(wěn)定性抑制、內(nèi)爆過程等重大科學(xué)問題研究具重要意義，對(duì)實(shí)驗(yàn)室模擬核武器物理研究也具有標(biāo)志性意義。但對(duì)整個(gè)點(diǎn)火的過程的理解還需進(jìn)一步深入，從而實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的點(diǎn)火。

圖7美國國家聚變點(diǎn)火裝置NIF裝置

目前激光慣性約束聚變已進(jìn)入點(diǎn)火，證明其科學(xué)可行性的攻堅(jiān)時(shí)期，在不斷取得顯著進(jìn)展的同時(shí)，又面臨著如何進(jìn)一步精準(zhǔn)認(rèn)識(shí)和有效控制高能量密度等離子體條件下流體力學(xué)不穩(wěn)定性與激光等離子體參量不穩(wěn)定性等復(fù)雜非線性過程的重大困難。國際同行和我國科學(xué)家正在同一賽道展開研究和競(jìng)爭(zhēng)。

4. Z箍縮聚變

直線箍縮裝置(稱為Z-pinch)是一種開端系統(tǒng)的聚變裝置。就是在柱形放電管中通過強(qiáng)大的電流，來使其中的等離子體產(chǎn)生箍縮效應(yīng)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(shù)的快Z 箍縮技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器電儲(chǔ)能到Z 箍縮負(fù)載動(dòng)能或X射線輻射能的高效率能量轉(zhuǎn)換，能量較為充足，驅(qū)動(dòng)器造價(jià)相對(duì)低廉，并有望實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器重頻運(yùn)行，將有可能為慣性聚變能提供可用的能量源。

20 世紀(jì)末，在美國圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室20 MA的Z 箍縮裝置上，產(chǎn)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(shí)驗(yàn)室等離子體中最強(qiáng)的X射線輻射源，電能到X射線的轉(zhuǎn)換效率高達(dá)15%。中國工程物理研究院已形成了脈沖功率驅(qū)動(dòng)器、Z箍縮物理理論與數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)與診斷、負(fù)載制備、制靶技術(shù)等Z 箍縮方面的專業(yè)研究隊(duì)伍，已經(jīng)開始國家大科學(xué)工程50 MA Z箍縮裝置的建設(shè)，預(yù)期建成后的設(shè)施國際領(lǐng)先，可以開展Z箍縮聚變科學(xué)可行性研究工作。

圖8美國圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室20 MAZ箍縮裝置

聚變研究的最重要的目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)聚變發(fā)電。對(duì)于未來聚變發(fā)電，不但要穩(wěn)定、可靠、重復(fù)地實(shí)現(xiàn)高效點(diǎn)火，同時(shí)還要長(zhǎng)時(shí)間地實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒等離子體進(jìn)行約束和控制。而對(duì)聚變堆所需的燃燒等離子體長(zhǎng)時(shí)間約束和穩(wěn)定控制則難度更大。圖9 是聚變各種途徑活動(dòng)的聚變等離子體三重積的數(shù)值和持續(xù)的時(shí)間。慣性約束尚未實(shí)現(xiàn)重頻連續(xù)放電，磁約束聚變的結(jié)果顯示，隨著等離子體持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，等離子體的性能在不斷下降，圖9 中右上角是未來聚變實(shí)驗(yàn)堆和示范堆所需的三重積和持續(xù)時(shí)間。數(shù)據(jù)清楚地表明，我們目前與這個(gè)目標(biāo)參數(shù)差距依然很大。

圖9聚變各種途徑最高參數(shù)進(jìn)展

三

聚變研究的主要科學(xué)技術(shù)問題

聚變研究開展已超過半個(gè)世紀(jì)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(xué)技術(shù)問題和工程挑戰(zhàn)。在科學(xué)方面，首先是聚變等離子體里邊各種不穩(wěn)定性的機(jī)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(wěn)定性，這些不穩(wěn)定性都會(huì)對(duì)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(duì)這些不穩(wěn)定性機(jī)理的理解，以及根據(jù)這些理解對(duì)其進(jìn)行有效的控制。針對(duì)聚變反應(yīng)磁流體穩(wěn)定性的問題，研究人員正在開發(fā)更為先進(jìn)的等離子體診斷技術(shù)，用于測(cè)量和物理的理解。同時(shí)通過改進(jìn)聚變裝置的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)磁場(chǎng)的均勻性和強(qiáng)度，可以更有效地限制高溫等離子體不穩(wěn)定性的發(fā)展，減少能量損失。同時(shí)，利用高精度的傳感器和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析軟件，能夠?qū)Φ入x子體狀態(tài)進(jìn)行精確監(jiān)控和快速調(diào)整，從而提高反應(yīng)的穩(wěn)定性。

第二是阿爾法粒子在達(dá)到點(diǎn)火條件以后對(duì)等離子體性能的影響。未來的聚變反應(yīng)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(duì)等離子體的約束輸運(yùn)以及有效加熱目前還沒有開展過經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、尚未有完整的數(shù)據(jù)。雖然理論上講以及我們一些實(shí)驗(yàn)的外推，在未來ITER=10 的情況下，阿爾法粒子是穩(wěn)定的，但對(duì)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(wěn)定性，比如說波和粒子的相互作用，在機(jī)理上還不完全清楚。因此，建設(shè)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置，開展實(shí)現(xiàn)高Q實(shí)驗(yàn)條件科學(xué)研究是下一段聚變研究的最主要的方向之一。

第三是在長(zhǎng)時(shí)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(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的一個(gè)重要的難題。根據(jù)JET 托克馬克D-T實(shí)驗(yàn)的結(jié)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(duì)實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)更具挑戰(zhàn)，尤其是在長(zhǎng)時(shí)間尺度下，材料與等離子體的相互作用，鎢雜質(zhì)輸運(yùn)到等離子體對(duì)等離子體的性能退化起到重要的作用，這一長(zhǎng)時(shí)間的相互作用的機(jī)理以及實(shí)驗(yàn)的結(jié)果尚不充分。這是未來任何一種途徑建設(shè)聚變反應(yīng)堆，都要面對(duì)的科學(xué)和技術(shù)問題。

在聚變堆建設(shè)的過程中，主要的工程技術(shù)挑戰(zhàn)如下。

首先是保證等離子體連續(xù)運(yùn)行所需要的條件。對(duì)于磁約束聚變來說，高性能超導(dǎo)磁體是關(guān)鍵。隨著ITER 的建設(shè)以及各國對(duì)示范堆預(yù)研的發(fā)展，未來托克馬克聚變的大型高性能超導(dǎo)磁體的技術(shù)已經(jīng)接近示范堆的水平。特別是，隨著高溫超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，未來商用堆可以利用高溫超導(dǎo)和低溫超導(dǎo)的混合，制造成具備超大型、高磁場(chǎng)強(qiáng)度的混合型超導(dǎo)磁體。

對(duì)于慣性約束來說，實(shí)現(xiàn)高效的重頻激光器、高性能的Z箍縮重頻點(diǎn)火電源，依然處于研發(fā)的階段。連續(xù)、高效、可靠、長(zhǎng)壽命的重頻技術(shù)是未來必須要解決的重大技術(shù)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(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)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(qū)動(dòng)光源的耦合依然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

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(jié)構(gòu)材料所承受的中子輻照分別為10~30 個(gè)dpa(dpa 是輻照損傷劑量單位，定義為在給定注量下每個(gè)原子平均的離位次數(shù))。如果按10 年換料來運(yùn)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(xué)家和工程師尚未研發(fā)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(fā)出200~300 dpa的低活化聚變材料。

第三個(gè)重要的技術(shù)問題是氚的實(shí)時(shí)產(chǎn)生和在線回收。自然界中沒有氚，未來的DT聚變反應(yīng)堆必須要在聚變堆中實(shí)時(shí)地利用鋰6 和中子的相互作用來實(shí)時(shí)地產(chǎn)生氚。并將這些產(chǎn)生的氚分離提純回收并實(shí)時(shí)用于聚變堆的在線聚變反應(yīng)。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(shí)時(shí)產(chǎn)氚，同時(shí)把中子產(chǎn)生的能量變?yōu)闊崮苡糜诰圩儫崮馨l(fā)電。在過去的幾十年中，小規(guī)模的實(shí)驗(yàn)?zāi)M這一過程已經(jīng)進(jìn)行得比較充分。理論和實(shí)驗(yàn)?zāi)M的誤差已經(jīng)小于10%。但是大規(guī)模實(shí)時(shí)的氚的產(chǎn)生提取并長(zhǎng)時(shí)間地連續(xù)運(yùn)行，要在下一個(gè)聚變堆，如ITER 或者其他的慣性約束上得以實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)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(yīng)的效率，科學(xué)家們正在探索新的燃料循環(huán)方案和能量回收機(jī)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(chǎn)生更少的D-T中子，降低對(duì)設(shè)備的損害。此外，開發(fā)高效的能量捕獲系統(tǒng)，如直接轉(zhuǎn)換技術(shù)，可以將更多的聚變能直接轉(zhuǎn)化為電能，減少中間環(huán)節(jié)的能量損耗。

聚變安全性和環(huán)境影響的研究也在不斷深入。聚變反應(yīng)本身不產(chǎn)生溫室氣體排放，且放射性廢物相對(duì)較少，是一種相對(duì)清潔的能源。然而，確保長(zhǎng)期運(yùn)行的安全性和最小化環(huán)境影響仍然是研究的重點(diǎn)。通過嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)和持續(xù)的環(huán)境監(jiān)測(cè)，可以最大限度地減少潛在風(fēng)險(xiǎn)，為大規(guī)模安全、可靠、經(jīng)濟(jì)適用聚變能奠定基礎(chǔ)。

四

聚變研究的未來發(fā)展

隨著美國激光聚變的點(diǎn)火成功以及俄烏戰(zhàn)爭(zhēng)以來世界各國對(duì)能源的需求以及對(duì)能源安全的考慮，近年來，國際聚變進(jìn)入了快速發(fā)展階段。世界各科技強(qiáng)國在參與ITER 建設(shè)的同時(shí)，重新審視和調(diào)整了聚變能開發(fā)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(shè)計(jì)和研發(fā)，加速推進(jìn)聚變能開發(fā)應(yīng)用，各國政府都建立了各自的聚變快速發(fā)展的路線圖。美國明確2035 年將努力實(shí)現(xiàn)聚變并網(wǎng)，英國目標(biāo)是2040 年，日本韓國俄羅斯都相應(yīng)地提出在2040 年到2050 年開始聚變商用的規(guī)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(fā)展。私人資本的投入已經(jīng)超過了國力投入的三倍，已經(jīng)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(shù)正在快速地發(fā)展。

在磁約束聚變方面，隨著ITER裝置建成和實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的日益臨近，核聚變能正在從科學(xué)研究走向工程應(yīng)用，2020年韓國KSTAR裝置實(shí)現(xiàn)了離子溫度1億攝氏度維持20秒運(yùn)行；2021年美國SPARC核心部件高溫超導(dǎo)磁體線圈首次提高到20特斯拉的場(chǎng)強(qiáng)；2022年歐洲JET在5秒內(nèi)產(chǎn)生了59兆焦耳氘氚聚變能量輸出；2022年我國EAST實(shí)現(xiàn)千秒級(jí)高溫等離子體放電等，使得基于超導(dǎo)托卡馬克途徑實(shí)現(xiàn)核聚變能商用的信心越來越堅(jiān)定。

我國正式加入ITER 計(jì)劃以來，國家設(shè)立了ITER 計(jì)劃專項(xiàng)，部署國家磁約束核聚變能整體發(fā)展，在超導(dǎo)托卡馬克關(guān)鍵工程技術(shù)、相關(guān)物理實(shí)驗(yàn)方面步入世界先進(jìn)水平；我國全面參與ITER 的建造和管理，大幅提高了技術(shù)研發(fā)和重要部件制造能力，正在逐步開展標(biāo)準(zhǔn)化體系和知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系建設(shè)工作；形成了一支穩(wěn)定的、有國際競(jìng)爭(zhēng)力的核聚變能研發(fā)和管理隊(duì)伍，顯著提升了我國自主創(chuàng)新能力。2019 年國家發(fā)改委部署了聚變堆主機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)重大基礎(chǔ)設(shè)施，開展聚變堆部件的預(yù)研。科技部、發(fā)改委都在部署未來我國磁約束聚變的發(fā)展規(guī)劃和重大研究項(xiàng)目，瞄準(zhǔn)2050 年開始磁約束聚變的商業(yè)進(jìn)程。在慣性約束方面，國家在Z箍縮研究方面也設(shè)立了重大基礎(chǔ)設(shè)施。在激光聚變方面也有下一步明確的點(diǎn)火目標(biāo)。國內(nèi)也建立了數(shù)個(gè)民營(yíng)企業(yè)，在不同的方式方法方面開始快速的技術(shù)和聚變能的商業(yè)應(yīng)用發(fā)展。隨著國際聚變研發(fā)的不斷深入，我國也步入聚變研究的最前沿，下一個(gè)十年不但是聚變研究在科學(xué)、技術(shù)、工程三方面會(huì)有較大的突破，同時(shí)也是世界各科技大國搶占聚變研發(fā)制高點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)期。

盡管現(xiàn)在眾多的商業(yè)公司在一些不同的概念方面進(jìn)行探索，從科學(xué)和技術(shù)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(shí)現(xiàn)聚變能的大規(guī)模應(yīng)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(shù)方面的探索，對(duì)未來的發(fā)展還是有益的。經(jīng)濟(jì)性方面，隨著技術(shù)的成熟和規(guī)模化生產(chǎn)，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(fā)提供了強(qiáng)大的資金支持。此外，國際合作項(xiàng)目的推進(jìn)有助于共享資源和技術(shù)，加速聚變能的商業(yè)化進(jìn)程。

雖然聚變能的發(fā)展道路仍然充滿挑戰(zhàn)，但隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和全球合作的加強(qiáng)，我們有理由對(duì)未來持樂觀態(tài)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(dòng)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要力量。

五

結(jié)語

綜上所述，核聚變技術(shù)的發(fā)展之路布滿荊棘，從理論驗(yàn)證到工程實(shí)踐，每一步都需跨越重重障礙。然而，正是這些挑戰(zhàn)激發(fā)了全球科學(xué)家的創(chuàng)新熱情，推動(dòng)著人類不斷向更高效、更環(huán)保的能源未來邁進(jìn)。隨著國際合作的加深和技術(shù)的持續(xù)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(gè)角落。

來源：現(xiàn)代物理知識(shí)雜志

編輯：yhc

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