可控核聚变能源是未来理想的清洁能源。在磁约束聚变领域，托卡马克研究目前处于领先地位。我国正式参加了国际热核聚变实验堆（ITER）项目的建设和研究，同时正在自主设计、研发中国聚变工程试验堆（CFETR）。

磁约束聚变

磁约束聚变是利用特殊形态的磁场把氘、氚等轻原子核和自由电子组成的处于热核反应状态的超高温等离子体约束在有限的体积内，使等离子体受控制地发生大量的原子核聚变反应，释放出能量。

磁约束聚变通过低密度长时间燃烧的方式实现氘、氚等离子体的自持燃烧，并将这种燃烧维持下去。

世界上的磁约束聚变装置主要有托卡马克、仿星器、磁镜三种类型，其中托卡马克最容易接近聚变条件而且发展最快。

ITER装置

目前，国际磁约束聚变界的主要研究内容是与ITER装置相关的各类物理与技术问题。

国际热核聚变实验堆（ITER）装置设计总聚变功率达到5×10⁵ kW，是一个电站规模的实验反应堆。

ITER的作用和任务是利用具有电站规模的实验堆证明氘、氚等离子体的受控点火和持续燃烧，验证聚变反应堆系统的工程可行性，综合测试聚变发电所需的高热流和核部件，实现稳态运行，从而为建造聚变能示范电站奠定坚实的科学基础和必要的技术基础。

ITER计划的科学目标具体包括：

1. 集成验证先进托卡马克运行模式；

2. 验证“稳态燃烧等离子体”物理过程；

3. 聚变阿尔法粒子物理；

4. 燃烧等离子体控制；

5. 新参数范围内的约束定标关系；

6. 加料和排灰技术。

ITER装置运行第一阶段的主要目标是建设一个氘、氚燃烧能产生5×10⁵ kW 聚变功率、聚变增益系数Q=10、脉冲维持大于400 s 的托卡马克聚变堆。在ITER 装置中将产生与未来商用聚变反应堆相近的氘、氚燃烧等离子体，供科学家和工程师研究其性质和控制方法，这是实现聚变能必经的关键一步。

ITER 装置运行的第二阶段将探索实现稳态高约束的高性能燃烧等离子体，聚变增益系数Q=5、脉冲维持大于3 000 s。这种稳态高性能的“先进燃烧等离子体”是建造托卡马克型商用聚变堆所必需的。

ITER 计划在后期还将探索实现高增益的燃烧等离子体。ITER 计划科学目标的实现将为商用聚变堆的建造奠定可靠的科学和工程技术基础。

此外，ITER 计划的工程技术目标是通过创造和维持氘、氚燃烧等离子体，检验和实现各种聚变技术的集成，并进一步研究和发展能直接用于商用聚变堆的相关技术。上述工作是设计与建造商用聚变堆之前所必须的，而且只能在ITER 装置上开展。

ITER 计划在工程技术方面部分验证的聚变堆的工程技术问题包括以下几个：

1. 堆级磁体及其相关的供电与控制技术研究；

2. 稳态燃烧等离子体（产生、维持与控制）技术，即无感应电流驱动技术、堆级高功率辅助加热技术、堆级等离子体诊断技术、等离子体位形控制技术、加料与除灰技术的研究；

3. 初步开展高热负荷材料试验；

4. 包层技术、中子能量慢化及能量提取、中子屏蔽及环保技术研究；

5. 低活化结构材料试验（TBM），氚增殖剂试验研究，氚再生、防氚渗透实验研究，氚回收及氚纯化技术研究；

6. 热室技术，堆芯部件远距离控制、操作、更换及维修技术研究。

ITER 将集成当今国际受控磁约束核聚变研究的主要科学和技术成果，第一次在地球上实现能与未来实用聚变堆规模相比拟的受控热核聚变实验堆，解决通向聚变电站的关键问题。

ITER 计划的成功实施，将全面验证聚变能源开发利用的科学可行性和工程可行性，是人类受控热核聚变研究走向实用的关键一步。

ITER计划由美苏首脑于1985年提出倡议，1988年开始正式设计，2001年7月完成ITER《工程设计最终报告》和部分关键技术的预研。

2001年11月，ITER计划谈判启动。2003年初，中国加入谈判。

2006年11月21日，中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国七方签署ITER计划的联合实施协定及相关文件。谈判成立ITER组织，总部设在法国。

各方分别承担部件制造任务，ITER组织牵头安装调试；各方带课题开展实验研究；法国承担退役工作。

ITER计划分为建设（2007年11月-2025年12月）、运行（2026年1月-2037年10月）、去活（2037年11月-2042年9月）、退役（2042年10月）四个阶段。

核聚变在中国

我国核聚变能研究开始于20 世纪60 年代初。从20 世纪70 年代开始，我国集中选择了托卡马克为主要研究途径，先后建成并运行了CT-6、KT-5、HT-6B、HL-1、HT-6M 托卡马克实验装置。

目前，我国的托卡马克装置主要有华中科技大学的J-TEXT 装置、核工业西南物理研究院的HL-2M 装置和中国科学院等离子体物理研究所的EAST 装置。

我国磁约束聚变的近期、中期和远期技术目标如下：

1. 近期目标（2015—2021 年）：建立近堆芯级稳态等离子体实验平台，吸收消化、发展与储备聚变工程实验堆关键技术，设计、预研聚变工程实验堆关键部件等；

2. 中期目标（2021—2035 年）：建设、运行聚变工程实验堆，开展稳态、高效、安全聚变堆科学研究；

3. 远期目标（2035—2050 年）：发展聚变电站，探索聚变商用电站的工程、安全、经济性。

☝中国磁约束聚变发展路线图

为了尽早地实现可控聚变核能的商业化，充分利用我国现有的托卡马克装置和资源，制定了一套完整的符合我国国情的中国磁约束聚变（MCF）发展路线示意图。

未来十年，重点在国内磁约束的两个主力装置（EAST、HL-2M）上开展高水平的实验研究。

EAST 装置目前基本完成了升级，研究能力和实验条件有了大幅度的提高，可以开展大量的针对未来ITER装置和下一代聚变工程堆稳态高性能等离子体研究，实现磁场稳定运行在3.5 T、等离子体电流1.0 MA，获得400 s 稳定、可重复的高参数近堆芯等离子体的科学目标，成为能为ITER 装置提供重要数据库的国际大规模先进试验平台。

在未来几年内，HL-2M 装置将完成升级，具有良好的灵活性和可近性，进一步发展20~25 MW 的总加热和电流驱动功率，着重发展高性能中性束注入（NBI）系统（8~10 MW）；增加电子回旋、低杂波的功率，新增2 MW 电子回旋加热系统。

HL-2M 装置利用独特的先进偏滤器位型，重点开展高功率条件下的边界等离子体物理研究，特别是探索未来示范堆高功率、高热负荷、强等离子体与材料相互作用条件下，粒子、热流、氦灰的有效排除方法和手段，与EAST装置形成互补。

在“十三五”后期，2021年左右开始独立建设2×10⁵~1×10⁶ kW 的聚变工程实验堆，在2035 年前后建成CFETR装置。

CFETR装置相较于目前在建的ITER装置，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技术，氚的循环与自持，聚变能输出等ITER 装置未涵盖的内容；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 装置上不能开展的工作；掌握并完善建设商用聚变示范堆所需的工程技术。

CFETR 装置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。

惯性约束聚变将某种形式的能量直接或间接地加载到聚变靶上，压缩并加热聚变燃料，在内爆运动惯性约束下实现热核点火和燃烧。

基于脉冲功率技术的快Z 箍缩（fast Z-pinch）技术可以实现驱动器电储能到Z 箍缩负载动能或X 射线辐射能的高效率能量转换，能量较为充足，驱动器造价相对低廉，并有望实现驱动器重频运行，将为驱动惯性约束聚变以及惯性聚变能提供可用的能量源。

我国已重点开展了Z 箍缩等离子体内爆动力学及其辐射源物理研究，并获得了丰富的研究成果，Z-FFR 总体概念设计研究取得显著进展。

聚变能源开发难度非常大，需要长期持续攻关。

我国要深入ITER 国际合作计划，全面掌握聚变实验堆技术；积极推进CFETR 主机关键部件研发，适时启动CFETR 全面建设；推动Z 箍缩尽快实现点火，探索Z 箍缩驱动惯性约束聚变裂变混合堆，加强聚变新概念的跟踪。

参考文献：

高翔,万元熙,丁宁,彭先觉.可控核聚变科学技术前沿问题和进展[J].中国工程科学,2018,20(3):25-31

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