張微　杜廣　徐國飛

【摘 要】與傳統(tǒng)的石化能源相比，核聚變能具有清潔、高效和資源無限等特點。在全球溫室效應(yīng)和環(huán)境污染日趨嚴重的背景下，核聚變發(fā)電的優(yōu)勢日趨明顯。未來核聚變的發(fā)展有可能會成為世界能源的重要組成部分。本文介紹了核聚變能的特點和發(fā)展歷程，通過對我國各主要核聚變裝置的介紹，分析和總結(jié)了國內(nèi)核聚變的研究現(xiàn)狀，并對我國核聚變的發(fā)展趨勢和發(fā)展路線進行展望。

【關(guān)鍵詞】核聚變;托克馬克;等離子體

中圖分類號： TL61 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）05-0148-003

0 前言

核能已日益成為當(dāng)今世界的主要能源，其中核裂變技術(shù)已經(jīng)成熟，并被廣泛用于核能發(fā)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(jù)中國核能行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2017年上半年，我國核能發(fā)電量占比約3.90%。根據(jù)“十三五”規(guī)劃，到2030年，我國核能發(fā)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(nèi)產(chǎn)量難以滿足如此大規(guī)模的核電發(fā)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(yōu)勢日漸明顯。未來核聚變的發(fā)展有可能會成為世界能源的重要組成部分。

1 核聚變能簡介

核聚變和核裂變理論都來自著名的愛因斯坦質(zhì)能方程E=mc2，核聚變釋放的能量比核裂變要大得多。核聚變是指將兩個較輕的核結(jié)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(yīng)。兩個較輕的核在融合過程中產(chǎn)生質(zhì)量虧損而釋放出巨大的能量，如下三個聚變反應(yīng)分別是氘-氘反應(yīng)，氘-氦反應(yīng)和氘-氚反應(yīng)。其中氘氚反應(yīng)是地球上最容易實現(xiàn)的聚變反應(yīng)。

氘與氚可直接取自海水，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(tǒng)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?nèi)剂想南拇蟾?.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。

2 核聚變發(fā)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(xiàn)了核裂變的首次發(fā)電，到1954年建成首座核裂變電站，以及1960年以后大規(guī)模商用，核裂變發(fā)電在不到二十年的時間經(jīng)歷了從幾十到幾百萬千瓦的迅猛發(fā)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(chǔ)研究，以及近20年來核聚變裝置的大力發(fā)展，但是迄今為止核聚變發(fā)電仍然沒有實現(xiàn)，存在許多科學(xué)和工程上的困難，核聚變發(fā)電技術(shù)的難度可見一斑。

實現(xiàn)聚變反應(yīng)必須將聚變?nèi)剂霞訜嶂翗O高溫度并予以有效約束。核聚變通常有三種方式來產(chǎn)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(yīng)裝置。氫彈是一種慣性約束聚變，氫彈是一種人工實現(xiàn)的、不可控制的熱核反應(yīng)。

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(chǔ)研究已經(jīng)取得了長足進步，并且已經(jīng)獲得了最高溫度達2～4億度的聚變?nèi)紵入x子體。核聚變能的開發(fā)和研究在磁約束托克馬克裝置上取得了重大進展，發(fā)現(xiàn)了一批重要的實驗定標(biāo)率，而且磁約束聚變已接近“點火”（自持燃燒）的目標(biāo)。

3 中國核聚變裝置的研究現(xiàn)狀

我國核聚變研究起步于上個世紀50年代。經(jīng)過多年的探索，我國磁約束核聚變的研究重點現(xiàn)主要集中在托卡馬克裝置上。時至今日，已建成或在建大中小各類托卡馬克裝置十多個。

3.1 HT-7超導(dǎo)托克馬克

1994年，中科院等離子體所建成了中國第一（世界第四）個超導(dǎo)托克馬克裝置HT-7。該裝置歷時三年半，花費1800萬，將原本不具備物理實驗功能的裝置成功改造成能夠開展穩(wěn)態(tài)高參數(shù)實驗的超導(dǎo)托克馬克裝置。HT-7實現(xiàn)的63秒穩(wěn)態(tài)運行時間刷新了當(dāng)時的世界紀錄，于2003年被評選為“2003年度中國十大科技進展”。

3.2 HL-2A

2002年，西南物理研究院建成HL-2A，該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(biāo)是開展高參數(shù)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(jié)構(gòu)，開展核聚變領(lǐng)域許多前沿物理課題以及相關(guān)工程技術(shù)的研究，為我國下一步聚變堆研究與發(fā)展提供技術(shù)基礎(chǔ)。

3.3 中國“東方超環(huán)”EAST

EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak）是由中科院等離子體物理研究所在1998年至2006年研制的世界上首個全超導(dǎo)托克馬克裝置。等離子體物理研究所當(dāng)時面臨著國際上無建造全超導(dǎo)托克馬克的經(jīng)驗，無穩(wěn)態(tài)控制及安全運行的技術(shù)參考和無快速變化超導(dǎo)磁體技術(shù)。他們克服重重困難，獨立完成物理和工程設(shè)計，自主研發(fā)了所有的關(guān)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做出的這些國際一流的成果，對未來ITER科學(xué)實驗有重要意義。

4 中國核聚變的發(fā)展趨勢

4.1 中國加入ITER

ITER（International Thermonuclear Experimental Reactor）是目前正在建設(shè)世界上最大的實驗性托卡馬克核聚變反應(yīng)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(yù)期將持續(xù)30年，其中10年用于建設(shè)，20年用于運行，耗資超過百億美元。ITER是各國建實用聚變堆前最重要的共擔(dān)風(fēng)險的堆工程技術(shù)和堆物理技術(shù)的集成發(fā)展研究，為了建造未來具有實用意義的聚變堆奠定基礎(chǔ)。

ITER項目是中國建國以來最大的國際科技合作項目。中國加入ITER計劃帶來的多項現(xiàn)實意義：首先，通過參加該項目的建設(shè)，全面掌握相關(guān)知識和技術(shù)，使中國有可能在較短時間趕上磁約束聚變研究世界先進水平，大大加快中國聚變能開發(fā)進程。其次，ITER是核科學(xué)技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)、大功率微波技術(shù)、等離子體技術(shù)、高能粒子束技術(shù)、復(fù)雜系統(tǒng)控制技術(shù)、機器人技術(shù)、精密加工技術(shù)等綜合集成，可拉動中國相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展。再次，中國對ITER建造的貢獻中，將近百分之八十是以國內(nèi)制造的實物部件形式實現(xiàn)，這對提高中國企業(yè)技術(shù)能力和國際競爭力也是個難得的機會。最后，中國參加實施ITER計劃，配合國內(nèi)必要的基礎(chǔ)研究、聚變反應(yīng)堆材料研究、聚變堆某些必要技術(shù)研究，有可能在較短時間、用較小投資使中國核聚變能研究在整體上進入世界前沿，為中國自主開展核聚變示范電站研發(fā)奠定基礎(chǔ)。

4.2 中國核聚變發(fā)展計劃

根據(jù)國家“十三五”科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，加速開展我國聚變能發(fā)展研究，完成國際熱核聚變實驗堆裝置建設(shè)中我國承擔(dān)的國際熱核聚變實驗堆采購包的設(shè)計、認證以及制造技術(shù)研發(fā)，全面消化吸收國際熱核聚變實驗堆總體設(shè)計以及相關(guān)技術(shù)，開展我國未來磁約束聚變堆的總體設(shè)計研究，加快人才培養(yǎng)，建設(shè)我國核聚變能研究創(chuàng)新體系。

中國核聚變發(fā)電的發(fā)展路線應(yīng)該是明確的即：全超導(dǎo)托克馬克。為了開展我國磁約束聚變堆總體設(shè)計研究，中國聚變工程試驗堆CFETR（China Fusion Engineering Test Reactor）項目應(yīng)運而生，它是聚變堆發(fā)電從實驗堆過渡到原型電站不可或缺的工程堆。2014年底，CFETR完成了工程概念設(shè)計。2017年中“中國聚變工程實驗堆集成工程設(shè)計研究”（CFETR集成工程設(shè)計研究）項目獲批。CFETR目前已經(jīng)完成了總體設(shè)計并開始了工程設(shè)計，計劃于2030年建成，一期目標(biāo)是Q=1～5，聚變功率為200MW，穩(wěn)態(tài)運行。二期目標(biāo)是Q>10，巨變功率為1GW，穩(wěn)態(tài)運行。

5 結(jié)語

大多數(shù)世界各主要聚變研發(fā)國家都有或在討論本國聚變未來的發(fā)展計劃。目前中國無疑是世界各主要聚變研發(fā)國家中獲得國家支持最強勁的國家。隨著ITER項目的建成和實驗驗證，以及我國聚變技術(shù)的發(fā)展，未來核聚變的發(fā)展前途是光明的。從現(xiàn)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(shè)計、預(yù)研和建造，將為我國開發(fā)核聚變能的跨越式發(fā)展，為最終實現(xiàn)核聚變能的實際應(yīng)用做出重要貢獻！

【參考文獻】

[1]萬元熙，開發(fā)聚變能迎接新挑戰(zhàn)，第十五屆長三角科技論壇，2018年.

[2]萬寶年，人造太陽—EAST全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置，浙江教育出版社，2018年.

[3]瑙約克斯，受控核聚變中的等離子體與材料的相互作用，北京大學(xué)出版社，2013年.