我所认识的核电（5）——人类核能利用的终极目标——受控核聚变之二_风闻

作者：别叫姜总叫姜工——老气横秋技术男

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目前我国核聚变研究的主力军是中核集团所属的核工业西南物理研究院和中国科学院等离子体物理研究所，两家单位分别拥有我国磁力约束核聚变研究非常重要的托卡马克装置中国环流器二号A/M(HL-2A/2M)和东方超环(EAST)

中国环流器二号A(HL-2A)是核工业西南物理研究院利用德国ASDEX装置主机3大部件配套改建而成。1999年正式动工建设，2002年11月中旬获得初始等离子体。

HL-2A装置的使命是研究具有偏滤器位形的托卡马克物理，包括高参数等离子体的不稳定性、输运和约束，探索等离子体加热、边缘能量和粒子流控制机理，发展各种大功率加热技术、加料技术和等离子体控制技术等，通过对核聚变前沿物理课题的深入研究和相关工程技术发展，全面提高我国核聚变科学技术水平，为中国下一步研究与发展打好坚实的基础。

与HL-1M以及当时的国内其它装置不同，该装置具有由相应的线圈和靶板组成的偏滤器，可以运行在双零或单零偏滤器位形。这对开展高约束模(H模)物理和边缘物理研究及提高等离子体参数是非常关键的。

HL-2A装置大功率加热系统包括电子回旋加热、低杂波和中性束注入系统。电子回旋共振系统用6 个回旋管作为微波源，最大功率为3 MW，频率分别为68 GHz、140 GHz。中性粒子束系统的注入功率为3MW，中性粒子能量为30-50 keV。超声分子束注入(SMBI)是中国的一项重要原创技术。

HL-2A装置自运行以来，取得了很多新的研究成果。除了在电子回旋加热实验中获得了4.9 keV的电子温度，在中性束加热条件下得到了2.5 keV的离子温度等高参数外，成功实现了高约束模(H模)放电(图3)，能量约束时间达到150 ms，等离子体总储能大于78 kJ，在H模物理研究中，观测到在L-H转换过程中存在两种不同的极限环振荡，分别称为原(Y)型、进(J)型和完整的动态演化过程。这为L-H模转换的理论和实验研究提供了新的思路。首次观测到测地声模和低频带状流的三维结构;利用超声分子束调制技术发现了自发的粒子内部输运垒，为等离子体输运研究提出了新的课题，在湍流、带状流和输运研究中，观测到在强加热L 模放电中高频湍流能量向低频带状流传输，为理解功率阈值提供了新的思路。运用电子回旋波加热方式主动控制撕裂膜，改善等离子体约束。HL-2A 上开展的一系列前沿性实验研究对于中国核聚变事业做出了创新性的贡献。

图5-9：环流器二号A（HL-2A）

HL-2M(中国环流器二号M)装置是HL-2A的改造升级，于2020年12月4日首次放电成功。HL-2M装置的建造目的是研究未来聚变堆相关物理及其关键技术，研究高比压、高参数的聚变等离子体物理, 为下一步建造聚变堆打好基础。在高比压、高参数条件下，研究一系列和聚变堆有关的工程和技术问题。瞄准和ITER物理相关的内容，着重开展和燃烧等离子体物理有关的研究课题,包括等离子体约束和输运、高能粒子物理、新的偏滤器位型、在高参数等离子体中的加料以及第一壁和等离子体相互作用等。

HL-2M装置的磁体由20个环向场线圈，欧姆场线圈和16个极向场线圈组成。环形真空室截面呈D形。真空室内安装上下偏滤器、第一壁及被动控制导体组件等。改造后的HL-2M装置有以下特点：1）具有大的拉长比和三角形变的等离子体截面，具备获得高比压等离子体的基本条件；2）较小的纵横比，环向场较小的情况下，可以达到3MA的等离子体电流；3）配建大功率加热系统，以提高等离子体温度和控制等离子体行为，有效控制高比压等离子体中的主要磁流体不稳定性，包括新经典撕裂模，边缘局域模，垂直不稳定性和破裂不稳定性等。另外新建一套脉冲容量为300MVA的飞轮脉冲发电机组，建设与HL-2M装置主机相匹配的磁场电源系统。

图5-10：环流器二号M（HL-2M）

改造升级后的HL-2M装置能够运行在先进的位形下，并具备更强的二级加热功率，尤其是中性束加热，从而开展聚变堆和ITER物理相关的聚变科学研究。作为可开展先进托卡马克运行的一个受控核聚变实验装置，HL-2M将成为中国开展与聚变能源密切相关的等离子体物理和聚变科学研究的不可或缺的实验平台。充分发挥和利用装置平台灵活、可近性好的特点，结合ITER工程建造和即将开展的物理实验研究以及国际聚变能研究发展的最新最近成果，在该装置上开展与聚变能研究相关的物理实验。

而我国“九五”国家重大科学工程——大型非圆截面全超导托卡马克核聚变实验装置(Experimental Advanced Superconducting Tokamak，EAST)，则是中国科学院等离子体物理研究所在HT-7 成功运行的基础上自行设计研制建造的国际首个全超导托卡马克装置。2000年10月国家发改委正式批准开工建设。2006年1月完成预总装，2006年3月首次工程调试成功，2006年8月装置建成。

EAST 装置主机部分高11 m、直径8 m、重400 t，由超高真空室、纵场线圈、极向场线圈、内外冷屏、外真空杜瓦、支撑系统等6 大部件组成。EAST 装置真空室的形状为D形(非圆截面)。同国际上其他托卡马克装置相比，其独有的非圆截面、全超导及主动冷却内部结构3 大特性使其更有利于实现稳态长脉冲高参数运行。EAST位形与ITER 相似且更加灵活。

图5-11：EAST——东方超环

EAST 装置的目标是：研究托卡马克长脉冲稳态运行的聚变堆物理和工程技术，构筑今后建造全超导托卡马克反应堆的工程技术基础。瞄准核聚变能研究前沿，开展稳态、安全、高效运行的先进托卡马克聚变反应堆基础物理和工程问题的国内外联合实验研究，为核聚变工程试验堆的设计建造提供科学依据，推动等离子体物理学科其他相关学科和技术的发展。

目前EAST装置装备了30 MW以上的辅助加热和电流驱动系统以及近80 项诊断系统，绝大多数系统均具备高参数稳态运行的能力，可开展先进聚变反应堆的前沿性、探索性研究，为聚变能的前期应用提供重要的工程和物理基础。

EAST是达到国际先进水平的新一代磁约束核聚变实验装置。作为国家重大科学工程之一，EAST的成功建设和物理实验使中国在磁约束聚变研究领域进入世界前沿，使中国成为世界上重要的聚变研究中心之一。

建成十几年来，EAST取得了多项重要成果，主要包括：

2009年，获得稳定重复的60秒等离子体放电；

2010年，实现了100秒长脉冲等离子体放电；

2012年，获得超过400秒的2000万摄氏度高参数偏滤器等离子体;获得稳定重复超过30秒的高约束等离子体放电；

2014年，首次实现重复的完全抑制边界局域模稳态长脉冲高约束等离子体；

2015年，验证辅助加热系统运行能力，实现两套中性束系统首次协同注入；

2016年1月，实现了电子温度超过5千万度、持续时间达102秒的超高温长脉冲等离子体放电；

2016年11月，获得超过60秒的完全非感应电流驱动(稳态)高约束模等离子体，成为世界首个实现稳态高约束模运行持续时间达到分钟量级的托卡马克核聚变实验装置；

2017年7月，实现了稳定的101.2秒稳态长脉冲高约束等离子体运行，创造了新的世界纪录；

2018年11月，等离子体中心电子温度首次达到1亿度；

2020年4月，等离子体中心电子温度首次实现1亿摄氏度运行近10秒，创造了当时的世界纪录。

除了国内的磁力约束核聚变装置的建设和研究外，我国还积极参与了国际热核聚变实验堆（ITER）项目。

目前我国承担了ITER建设阶段约9%的采购包制造任务。自2008年以来，我国陆续承担制造了ITER项目最大的场外构件6号极向场线圈合同，以及极向场线圈导体、环形场线圈导体、第一壁、氚增殖模块等15个采购包。2019年09月20日中科院研制的ITER项目6号极向超导磁体线圈PF6在安徽合肥竣工交付（见图5-12）。

图5-12： ITER项目6号极向超导磁体线圈PF6在安徽合肥竣工交付图5-13：ITER项目环向超导磁体线圈

2019年9月，中科院等离子物理研究所、中国核电工程有限公司、中国核工业二三建设有限公司、核工业西南物理研究院、法国法马通公司组成的联合体，成功中标ITER托卡马克主机TAC-1安装标段工程。

TAC-1是ITER托卡马克主机最重要的核心设备安装工程，类似核电站核岛里的反应堆，也是自我国参与ITER计划以来通过国际竞标获得的金额最大的工程建造项目。TAC-1标段主要工作是安装杜瓦结构及杜瓦结构和真空容器之间所有的系统，该安装标段装配子任务有400余项，现场装配的部件数以万计，精度要求高，标准严苛。与托卡马克主机最核心的部件超导磁体和馈线系统相关的任务就有240余项。

当地时间2020年5月28日，在法国南部卡达拉舍， ITER重达1250吨的杜瓦底座平稳落位于托卡马克装置基坑内临时支撑上（见图5-14、图5-15和图5-16），拉开了国际热核聚变实验堆（ITER）主设备安装的序幕。杜瓦底座是ITER托卡马克装置“心脏”安装工作的第一个重大组件，是托卡马克装置所有重要设备的基础，承担着重要安全屏障作用，其安装精度、进度都对主体结构及重要部件安装产生重要影响，本次吊装安装不仅是TAC-1标段第一个重要工程节点，也是ITER项目整体进度中的“黄金节点”。此次起吊重量和安装精度也打破了中国核能行业大件设备吊装的记录，中核工程的总承包管理能力，中核二三丰富的安装经验，核工业西南院和中科院等离子体所核聚变方面的技术实力都在这次吊装安装中得到了充分的体现。

图5-14： ITER项目厂房内等待安装的外杜瓦底座图5-15： ITER项目吊装中的外杜瓦底座图5-16： ITER项目就位中的外杜瓦底座

除了积极参与ITER项目，我国目前也在规划国内的磁力约束核聚变实验堆项目——中国聚变工程实验堆（CFETR）。2017年12月5日， “中国聚变工程实验堆集成工程设计研究”（即CPETR集成工程设计研究）项目启动会在安徽合肥举行，会上宣布中国聚变工程实验堆(CFETR)正式开始工程设计，计划2035年建成，中国核聚变研究由此开启新征程。

CFETR的聚变功率高达200万千瓦，是ITER的4倍。相较于目前在建的ITER，CFETR在科学问题上主要解决未来商用聚变示范堆必需的稳态燃烧等离子体的控制，氚的循环与自持，聚变能输出等ITER 未涵盖内容；在工程技术与工艺上，重点研究聚变堆材料、聚变堆包层及聚变能发电等ITER 不能开展的工作，掌握并完善建设商用聚变示范堆所需的工程技术。CFETR 的建设不但能为我国进一步独立自主地开发和利用聚变能奠定坚实的科学技术与工程基础，而且有望使得我国率先利用聚变能发电、实现能源的跨越式发展成为可能。

CFETR计划分三阶段完成“中国聚变梦”：第一阶段到2021年，CFETR开始立项建设；第二阶段到2030年，计划建成聚变工程实验堆，开始大规模科学实验；第三阶段到2050年，聚变工程实验堆（原型电站）建成，开始建设聚变商业示范堆。

图5-17：我国磁力约束核聚变研发时间计划图

总的来说，我国在磁力约束受控核聚变领域有先天优势，再加上机遇很好，目前走到世界第一集团，不是偶然的。

说先天优势，是因为我国对于能源的重视不是一天两天了，自1956年的12年科学规划以来，我国磁力约束核聚变的研究已经进行了半个世纪，积累了大量的经验。此外我们有一个祖宗留给我们的礼物——内蒙古白云鄂博的稀土资源。它使得我们的超导工艺并不落后，这是受控核聚变的重要组成部分。

说机遇很好，一方面是当年苏联解体，俄罗斯贱卖家底，我们得到了的T-7超托卡马克，使我们跨越性的认识了这一系统。另一方面，国际扯皮使得ITER拖了近20年，我们赢得了追上去的机会，让我们在这个关乎人类能源未来的领域占有了一席之地。试想如果ITER在上个世纪八、九十年代正式开建的话，可能也就没我们啥事了。

基于目前我国磁力约束受控核聚变技术的发展现状，我们甚至可以期待未来能在中国点亮人类磁力约束核聚变发电的第一盏灯。

5.2惯性约束核聚变

相较于国际合作广泛、经常刷屏的磁约束托克马克聚变堆，惯性约束聚变堆则显得相当神秘。这是因为惯性约束除了和平利用原子能解决能源问题外，更重要的意义在于研究核爆过程中的多物理问题。这种聚变方式是最接近氢弹爆炸的真实物理过程，这也正是各国低调但又投入大量精力深耕该技术的根本原因。

和采用强磁场约束的托卡马克装置不同，惯性约束核聚变是把几毫克的氘和氚的混合气体或固体，装入直径约几毫米的小球（靶丸）内。从外面均匀射入激光束或粒子束，将燃料向内压缩，靶材料形成的等离子体，由于自身惯性还来不及向四周飞散就被加热到极高温度并发生聚变反应。其典型的整个反应过程主要分四个阶段（见图5-18）。

图5-18：惯性核聚变的四个阶段

（1）靶丸表面吸收激光束能量，在靶丸表面形成等离子烧蚀层；

（2）靶丸表面物质向外喷射，同时产生反作用力，使燃料向心压缩，就像喷气飞机气体往后喷而推动飞机前飞一样；

（3）通过向心聚爆过程，燃料达到高温高密度状态；

（4）燃料发生聚变反应，最终向外释放出巨大能量。

这种爆炸过程时间很短，只有几个皮秒（1皮等于1万亿分之一秒）。如每秒钟发生三四次这样的爆炸并且连续不断地进行下去，所释放出的能量就相当于百万千瓦级的发电站。前苏联科学家巴索夫教授在1963年、我国科学家王淦昌院士在1964年分别独立地提出了利用激光打在聚变燃料靶上来实现受控热核反应的构想，由此开辟了实现受控热核聚变反应的新途径——激光惯性约束聚变。

因为靶丸一般都很小，和黄豆大小相等，而大功率多束激光装置则是十足的巨无霸，简直就是一大群高射炮打蚊子，因此，激光核聚变过程的关键就是，如何巧妙设计和布置激光束瞬间照射在靶丸上。

于是，在激光惯性约束聚变流派下，又分了两个分支：直接驱动和间接驱动。无论哪种驱动方式，靶丸都是由作为气体容器的空心微球和球内燃料气体组成。

直接驱动是将多路激光直接均匀辐照到球型靶上，烧蚀靶表面的燃料产生热等离子体，激光在等离子体中产生激波从而压缩靶丸达到点火。但其有两个基本要求：一是要求激光在电晕区通过碰撞过程有效地被吸收，避免产生过量超热电子；另一个是要求在烧蚀阵面附近的压力分布均匀，对激光光束有高质量要求。

最为突出和知名直接驱动惯性约束核聚变装置是美国国家点火装置（National Ignition Facility，NIF），位于旧金山劳伦斯利福摩尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory， LLNL)。其最早要追溯到1972年，Nuckolls总结了可以利用激光束内爆来实现聚变的相关研究，如果在靶丸上达到了足够的压缩，1千焦的驱动能量就可以获得大于1的增益。

在1993年，美国能源部正式签署并批准了国家点火装置（NIF）的概念设计和研制任务，并将其指标定为3纳秒脉宽时输出1.8MJ，总共192束高功率激光。2009年3月，劳伦斯·利弗莫尔实验室（LLNL）正式建成了这个耗资数十亿美元的巨型激光器，同年5月31日交付使用。

图5-19：1999年6月10日，直径10米的靶室正在劳伦斯利弗莫尔国家实验室吊装到位

NIF建成后，虽然发展了多种多样的点火方式，并尝试了多轮试验。2012年，该装置将192束激光束成功融合成一个单一脉冲，峰值功率达到了500万亿瓦，相当于美国在任何特定时刻内全国耗电量的1000多倍，成为人类历史上发射的能量最大的激光脉冲。

但遗憾的是，截止2020年底，NIF的点火实验仍未取得成功，其距离真正意义上的点火还有很长的路要走。

间接驱动则是将激光照射到黑腔的高Z内壁上产生X射线，激光能量将大部分转化为X射线能量，再作用在靶表面，产生烧蚀、压缩、点火。虽然当前的主流点火方式是直接驱动，但由于美国的直接驱动装置（NIF）一直没点火成功，所以探索直接驱动的点火方式也是必然中的选择，这两种点火方式各有优缺点，相辅相成，互为补充。

在我国，惯性约束聚变研究在于敏院士多年推动下被列入国家863计划，制定了惯性约束聚变的发展战略，并相继建成了神光-I、神光-II和神光-III激光装置，2006年建成并投入运行的神光II升级系统（SG II U）是世界上继美国NIF之后的最稳定的惯性约束激光驱动系统，这些装置的建成也使得中国惯性约束聚变研究进入了一个崭新的历史发展阶段。

作为世界各大国相互角力的主战场，近年来中国的惯性约束核聚变事业迎来了新的一波高潮，新一代惯性核聚变点火装置——神光IV开始筹划。其主体工程在2010年就开始启动，目前已经进入实质性的建造阶段，原计划在2020 年或稍后建成。其中，该系统将包含高达288 路的高功率激光束，其总输出功率为2MJ，设计功能以间接驱动为主，但同时也兼顾直接驱动。一旦该装置建成，将进一步提升中国核聚变事业的力量。

图5-20：神光II升级系统的靶室图5-21：神光II升级系统的激光主放大系统