本文選自中國工程院院刊《中國工程科學》2018年第3期
作者：高翔，萬元熙，丁寧，彭先覺
來源：可控核聚變科學技術前沿問題和進展[J].中國工程科學,2018,20(3):25-31.
編者按
可控核聚變能源是未來理想的清潔能源。磁約束聚變通過低密度長時間燃燒的方式實現氘、氚等離子體的自持燃燒，並將這種燃燒維持下去。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，其中托卡馬克最容易接近聚變條件而且發展最快。目前，磁約束聚變還處於探索階段，還有很多物理和工程技術方面的問題需要解決。
中國工程院萬元熙院士、彭先覺院士等研究人員在中國工程院院刊《中國工程科學》2018年第3期發表《可控核聚變科學技術前沿問題和進展》一文。文章介紹了ITER計劃的科學目標和工程技術目標中的前沿問題，提出了我國磁約束聚變近期、中期和遠期技術目標，制定了中國磁約束聚變發展路線圖。在慣性約束聚變領域，Z箍縮作為能源更具潛力，我國在Z箍縮輻射源物理和驅動慣性約束聚變技術路線，尤其是在驅動器與Z箍縮負載能量耦合物理方面開展了大量基礎研究。文章建議，我國繼續執行際熱核聚變實驗堆國際合作計劃，全面掌握聚變實驗堆技術；積極推進中國聚變工程試驗堆（CFETR）主機關鍵部件研發、適時啟動項目的全面建設；支持新一代大電流脈衝功率實驗平台建設，儘快實現Z箍縮聚變點火，探索Z箍縮驅動慣性約束聚變裂變混合堆。
一、前言
可控核聚變能源是未來理想的清潔能源。在磁約束聚變領域，托卡馬克研究目前處於領先地位。我國正式參加了國際熱核聚變實驗堆（ITER）項目的建設和研究，同時正在自主設計、研發中國聚變工程試驗堆（CFETR）。在慣性約束領域，Z箍縮作為能源更具潛力，有可能發展成具有競爭力的聚變–裂變混合能源。本文重點介紹了磁約束聚變的前沿問題和我國在Z箍縮方面的研究進展。
二、磁約束聚變前沿問題
（一）磁約束聚變的研究意義和現狀
磁約束聚變是利用特殊形態的磁場把氘、氚等輕原子核和自由電子組成的處於熱核反應狀態的超高溫等離子體約束在有限的體積內，使等離子體受控制地發生大量的原子核聚變反應，釋放出能量。磁約束聚變通過低密度長時間燃燒的方式實現氘、氚等離子體的自持燃燒，並將這種燃燒維持下去。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，其中托卡馬克最容易接近聚變條件而且發展最快。目前，磁約束聚變已經取得重大進展，我國正式參加了ITER項目的建設和研究；同時作為ITER裝置與聚變示範堆（DEMO）之間的橋樑，我國正在自主設計、研發CFETR項目。這些措施將使我國的磁約束聚變研究水平位於國際前列。
（二）磁約束聚變的前沿問題
磁約束聚變的研究開發不僅耗資巨大，而且在科學和技術上充滿了挑戰，以至於在經歷了40多年的較具規模的國際聚變研究之後，直到20世紀90年代才基本獲得可以建造磁約束聚變實驗堆的必要知識和技術。磁約束聚變還處於探索階段，存在很多物理和工程技術方面的問題需要解決。目前，國際磁約束聚變界的主要研究內容是與ITER裝置相關的各類物理與技術問題。ITER裝置設計總聚變功率達到5×105kW，是一個電站規模的實驗反應堆。它的作用和任務是利用具有電站規模的實驗堆證明氘、氚等離子體的受控點火和持續燃燒，驗證聚變反應堆系統的工程可行性，綜合測試聚變發電所需的高熱流和核部件，實現穩態運行，從而為建造聚變能示範電站奠定堅實的科學基礎和必要的技術基礎。ITER計劃的科學目標具體包括：①集成驗證先進托卡馬克運行模式；②驗證「穩態燃燒等離子」體物理過程；③聚變阿爾法粒子物理；④燃燒等離子體控制；⑤新參數範圍內的約束定標關係；⑥加料和排灰技術。
ITER裝置運行第一階段的主要目標是建設一個氘、氚燃燒能產生5×105kW聚變功率、聚變增益係數Q=10、脈衝維持大於400 s的托卡馬克聚變堆。在ITER裝置中將產生與未來商用聚變反應堆相近的氘、氚燃燒等離子體，供科學家和工程師研究其性質和控制方法，這是實現聚變能必經的關鍵一步。ITER裝置運行的第二階段將探索實現穩態高約束的高性能燃燒等離子體，聚變增益係數Q=5、脈衝維持大於3000s。這種穩態高性能的「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計劃在後期還將探索實現高增益的燃燒等離子體。ITER計劃科學目標的實現將為商用聚變堆的建造奠定可靠的科學和工程技術基礎。
此外，ITER計劃的工程技術目標是通過創造和維持氘、氚燃燒等離子體，檢驗和實現各種聚變技術的集成，並進一步研究和發展能直接用於商用聚變堆的相關技術。上述工作是設計與建造商用聚變堆之前所必須的，而且只能在ITER裝置上開展。ITER計劃在工程技術方面部分驗證的聚變堆的工程技術問題包括以下幾個。
（1）堆級磁體及其相關的供電與控制技術研究；
（2）穩態燃燒等離子體（產生、維持與控制）技術，即無感應電流驅動技術、堆級高功率輔助加熱技術、堆級等離子體診斷技術、等離子體位形控制技術、加料與除灰技術的研究；
（3）初步開展高熱負荷材料試驗；
（4）包層技術、中子能量慢化及能量提取、中子屏蔽及環保技術研究；
（5）低活化結構材料試驗（TBM），氚增殖劑試驗研究，氚再生、防氚滲透實驗研究，氚回收及氚純化技術研究；
（6）熱室技術，堆芯部件遠距離控制、操作、更換及維修技術研究。
ITER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。ITER計劃的成功實施，將全面驗證聚變能源開發利用的科學可行性和工程可行性，是人類受控熱核聚變研究走向實用的關鍵一步。
（三）我國磁約束聚變研究的技術目標和發展規劃
我國核聚變能研究開始於20世紀60年代初，儘管經歷了長時間非常困難的階段，但始終能堅持穩定、漸進的發展。從20世紀70年代開始，我國集中選擇了托卡馬克為主要研究途徑，先後建成並運行了CT-6、KT-5、HT-6B、HL-1、HT-6M托卡馬克實驗裝置。目前，我國的托卡馬克裝置主要有華中科技大學的J-TEXT裝置、核工業西南物理研究院的HL-2M裝置和中國科學院等離子體物理研究所的EAST裝置。在以上這些托卡馬克裝置的設計、研製和實驗過程中，組建並鍛鍊了一批聚變工程師隊伍，中國科學家在這些托卡馬克裝置上開展了一系列重要研究工作。我國未來聚變發展戰略應瞄準國際前沿，廣泛利用國際合作，夯實我國磁約束核聚變能源開發研究的堅實基礎，加速人才培養，以現有中、大型托卡馬克裝置為依託，開展國際核聚變前沿課題研究，建成知名的磁約束聚變等離子體實驗基地，探索未來穩定、高效、安全、實用的聚變工程堆的物理和工程技術基礎問題。我國磁約束聚變的近期、中期和遠期技術目標如下。
（1）近期目標（2015—2021年）：建立近堆芯級穩態等離子體實驗平台，吸收消化、發展與儲備聚變工程實驗堆關鍵技術，設計、預研聚變工程實驗堆關鍵部件等；
（2）中期目標（2021—2035年）：建設、運行聚變工程實驗堆，開展穩態、高效、安全聚變堆科學研究；
（3）遠期目標（2035—2050年）：發展聚變電站，探索聚變商用電站的工程、安全、經濟性。為了儘早地實現可控聚變核能的商業化，充分 利用我國現有的托卡馬克裝置和資源，制定了一套 完整的符合我國國情的中國磁約束聚變（MCF）發 展路線示意圖，如圖 1 所示。
圖1 中國磁約束聚變發展路線圖
未來十年，重點在國內磁約束的兩個主力裝置（EAST、HL-2M）上開展高水平的實驗研究。EAST裝置目前基本完成了升級，研究能力和實驗條件有了大幅度的提高，可以開展大量的針對未來ITER裝置和下一代聚變工程堆穩態高性能等離子體研究，實現磁場穩定運行在3.5 T、等離子體電流1.0 MA，獲得400 s穩定、可重複的高參數近堆芯等離子體的科學目標，成為能為ITER裝置提供重要資料庫的國際大規模先進試驗平台。結合全超導托卡馬克新的特性，探索和實現兩到三種適合於穩態條件的先進托卡馬克運行模式，穩態等離子體性能處於國際領先水平。在此階段，將重點發展專門的物理診斷系統，特別是對深入理解等離子體穩定性、輸運、快粒子等密切相關的物理診斷。在深入理解物理機制的基礎上，發展對等離子體剖面參數和不穩定性的實時控制理論和技術，探索穩態條件下的先進托卡馬克運行模式和手段。實現高功率密度下的適合未來反應堆運行的等離子體放電，為實現近堆芯穩態等離子體放電奠定科學和工程技術基礎。同時需對裝置內部結構進行升級改造，以滿足穩態高功率下高參數等離子體放電的要求。
在未來幾年內，HL-2M裝置將完成升級，具有良好的靈活性和可近性，進一步發展20~25 MW的總加熱和電流驅動功率，著重發展高性能中性束注入（NBI）系統（8~10 MW）；增加電子迴旋、低雜波的功率，新增2MW電子迴旋加熱系統。利用獨特的先進偏濾器位型，重點開展高功率條件下的邊界等離子體物理，特別是探索未來示範堆高功率、高熱負荷、強等離子體與材料相互作用條件下，粒子、熱流、氦灰的有效排除方法和手段，與EAST裝置形成互補。
此外，在全面消化、吸收國際熱核聚變實驗堆設計及工程建設技術的基礎上，以我為主開展CFETR的詳細工程設計及必要的關鍵部件預研，並結合以往的物理設計資料庫，在我國的「東方超環」「中國環流器2號改進型」托卡馬克裝置上開展與CFETR裝置物理相關的驗證性實驗，為CFETR裝置（大半徑R=7.2m，小半徑a=2.2 m，中心環向磁場Bt=6.5 T，拉長比k=2，如圖2所示）的建設奠定堅實基礎。在「十三五」後期，2021年左右開始獨立建設2×105~1×106kW的聚變工程實驗堆，在2035年前後建成CFETR裝置。CFETR裝置相較於目前在建的ITER裝置，在科學問題上主要解決未來商用聚變示範堆必需的穩態燃燒等離子體的控制技術，氚的循環與自持，聚變能輸出等ITER裝置未涵蓋內容；在工程技術與工藝上，重點研究聚變堆材料、聚變堆包層及聚變能發電等ITER裝置上不能開展的工作；掌握並完善建設商用聚變示範堆所需的工程技術。CFETR裝置的建設不但能為我國進一步獨立自主地開發和利用聚變能奠定堅實的科學技術與工程基礎，而且使得我國率先利用聚變能發電、實現能源的跨越式發展成為可能。
圖2 中國聚變工程實驗堆示意圖
三、Z 箍縮慣性約束聚變
（一）Z 箍縮聚變的研究意義與現狀
慣性約束聚變將某種形式的能量直接或間接地加載到聚變靶上，壓縮並加熱聚變燃料，在內爆運動慣性約束下實現熱核點火和燃燒。基於脈衝功率技術的快Z箍縮（fastZ-pinch）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，並有望實現驅動器重頻運行，將為驅動ICF以及慣性聚變能（IFE）提供可用的能量源。
20世紀末，在美國聖地亞（Sandia）國家實驗室20 MA的Z裝置上，採用雙層絲陣，產生了峰值功率280 TW、總能1.8 MJ的X射線輻射脈衝，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%。在Z箍縮驅動ICF研究方面，Sandia實驗室採用動態黑腔輻射間接驅動靶丸內爆，在Z裝置上獲得了超過210 eV的黑腔輻射場，驅動兩層氘氘靶丸內爆，產生了3×1011個聚變中子。2010年，Sandia實驗室發展了直接驅動的磁化套筒慣性聚變（MagLIF）構型，並在2014年的Z裝置集成實驗中，利用Be套筒內爆壓縮經過預熱和磁化的氘氘燃料，獲得了2×1012個聚變中子。
中國工程物理研究院已形成了脈衝功率驅動器、Z箍縮物理理論與數值模擬、實驗與診斷、負載製備、制靶技術等Z箍縮方面的專業研究隊伍，並深入開展了理論和物理實驗研究、快Ｚ箍縮內爆研究、輻射特性研究。已成功建成8~10 MA的「聚龍一號」裝置，為進一步開展內爆物理及Z箍縮驅動慣性約束聚變基礎問題的研究提供了重要的實驗平台。Z箍縮X射線輻射源以及Z箍縮驅動慣性約束聚變，涵蓋了磁流體力學、輻射輸運、原子物理、等離子體微觀不穩定性、強脈衝磁場下的輸運機制等多物理過程和複雜物理效應，對這樣一個複雜的多尺度、多物理過程，目前的實驗平台還無法對聚變點火進行直接的實驗驗證，數值模擬是研究Z箍縮驅動ICF物理問題的重要手段。自2000年以來，北京應用物理與計算數學研究所建立了專門的Z箍縮理論和數值模擬研究團隊，圍繞Z箍縮輻射源物理和驅動ICF技術路線開展了大量研究。研製和發展了一維、二維輻射磁流體力學（MHD）程序，研究了驅動器與負載耦合、絲消融、先驅等離子體形成、主體等離子體內爆加速和滯止輻射過程，分析了輻射定標率、磁瑞利–泰勒（MRT）不穩定性和角向不均勻性變化規律，獲得了輻射源的時空特性和能譜特徵。研究了利用Z箍縮動態黑腔構型驅動ICF的整體物理過程，並對動能加載和直接驅動等技術路線進行了初步探索。2006年以來，中國工程物理研究院研究團隊提出並形成了Z箍縮驅動的慣性約束聚變混合能源（簡稱Z-FFR）概念。Z-FFR由Z箍縮驅動器、能源靶、次臨界能源包層構成。預計1GWe電站造價約為30億美元，不到純聚變電站的1/3。Z-FFR安全性高，後處理簡化，可滿足人類上千年的能源需求。
（二）驅動器與負載能量耦合
Z箍縮技術的各種應用取決於脈衝功率驅動源與負載的匹配關係。負載是實現超高功率電脈衝能量高效轉換的載體，其動態行為演變由驅動源和本身初始狀態共同決定。用於驅動Z箍縮內爆產生聚變等離子體的脈衝功率技術面臨巨大挑戰。顯然，Z箍縮最顯著的特徵之一是負載與驅動器的強耦合。若改變負載參數，隨之將改變驅動器與負載的阻抗匹配和能量耦合，進而影響流過負載的電流參數以及負載的Z箍縮內爆動力學過程。筆者團隊建立了全電路模型，研究驅動器內的電磁能量傳輸和功率壓縮過程，並與MHD程序耦合，研究了驅動器與負載的能量耦合過程，可以模擬給出驅動器不同位置的電流、電壓波形，以及負載等離子體電流和X射線輻射產額及功率等，圖3是「聚龍一號」裝置電功率和X射線輻射功率。筆者團隊成功地構造了「聚龍一號」裝置的集總電路模型，如圖4所示，經過多輪「聚龍一號」Z箍縮實驗驗證，獲得了可靠的等效參數數據，為Z箍縮實驗物理設計提供了重要依據。
圖 3 「聚龍一號」裝置電功率和X射線輻射功率
註：Load為負載；OTL為三板線出口電功率；PFL為脈衝形成線電功率；IS為中儲電功率。
圖 4 「聚龍一號」裝置用於Z箍縮實驗的集總電路模型
隨著電磁能量在驅動器內傳輸，電功率增加，電脈衝脈寬變短，Marx發生器微秒級的電脈衝轉換為三板線附近數十納秒的電脈衝，實現了能量壓縮和電功率放大。進一步與負載耦合，就可以獲得相對於電功率更高的X射線輻射脈衝。若改變負載參數，在不改變驅動器內部功率壓縮過程的情況下，將會極大地影響X射線輻射功率的輸出。如果採用過輕或者過重的負載，無法達到驅動器與負載能量的高效傳輸，產生的X射線輻射峰值功率相對較低。因此需要進行負載優化設計，以獲得強X射線輻射。
四、我國Z箍縮聚變研究的技術方向和發展規劃
我國已重點開展了Z箍縮等離子體內爆動力學及其輻射源物理研究，並獲得了豐富的研究成果，Z-FFR總體概念設計研究取得顯著進展。但是，對電流前沿與Z箍縮負載參數和內爆動力學的關係、Z箍縮等離子體輻射源定標律和Z箍縮動態黑腔輻射場（溫度）定標律，以及Z箍縮慣性約束聚變過程中幾個重要物理過程的能量轉換效率等關鍵問題研究很少。
超強脈衝磁場是Z箍縮過程最顯著的特徵，在此條件下的等離子體形成、MRT不穩定性發展對內爆過程及內爆品質產生決定性影響。在強非線性過程中，負載區的電磁能、Z箍縮等離子體內能以及輻射能之間的能量交換非常複雜。Spitzer電阻率不能準確描述Z箍縮等離子體電阻率特性，其反常機制還不清楚。描述和解釋輻射源的產生過程及物理機制極為重要。大電流裝置可以為開展Z箍縮等離子體物理實驗研究提供更寬的參數範圍。
典型的Z箍縮過程具有柱形內爆特徵，而聚變靶為球形內爆，設計合適的黑腔構型，使得負載等離子體Z箍縮過程與靶內爆在時間和空間上獲得有效分離，這是Z箍縮驅動慣性約束聚變的核心問題。在目前我國已有的裝置上沒有條件開展此項實驗研究。相對於雷射聚變，Z箍縮輻射源時間尺度較長，空間尺度較大，難以對波形進行精密調節，需要進行新的聚變靶設計以便有效壓縮燃料，獲得較高能量增益。
建造新一代大電流的脈衝功率實驗平台，有利於開展Z箍縮輻射源、黑腔以及靶內爆等Z箍縮驅動慣性約束聚變部分關鍵物理問題的實驗研究和驗證。建議國家層面支持2018—2025年建設峰值電流50~70 MA的Z箍縮驅動器，儘快實現聚變點火；2030年正式建設Z箍縮聚變裂變混合堆Z-FFR，2035年開展工程演示。
五、結論和建議
聚變能源開發難度非常大，需要長期持續攻關。建議我國深入ITER國際合作計劃，全面掌握聚變實驗堆技術；積極推進CFETR主機關鍵部件研發，適時啟動CFETR全面建設。鼓勵Z箍縮儘快實現點火，探索Z箍縮驅動慣性約束聚變裂變混合堆，加強聚變新概念的跟蹤。
註：本文內容呈現略有調整，若需可查看原文。
作者介紹
萬元熙，核聚變專家，中國工程院院士。
主要從事磁約束核聚變研究。
彭先覺，原子核物理學專家，中國工程院院士。
主要從事核武器理論研究與設計。
註：論文反映的是研究成果進展，不代表《中國工程科學》雜誌社的觀點。