控核聚變還有多久可以成功?我國在可控核聚變領域技術(shù)屬于哪個梯度?剛剛成功放電的HL-2M是什么水平?和已運行的EAST“人造太陽”有什么區(qū)別?我國的核聚變發(fā)展的歷史、現(xiàn)狀和未來規(guī)劃又是如何?相信廣大網(wǎng)友在關(guān)注核聚變的同時，或多或少會對這些問題比較好奇。作為深處核聚變研究一線的“打工人”，為大家分享解讀：我國“人造太陽”之路的前世今生。

正文之前，先廣告一下：小編本人在核聚變領域工作十幾年，先后參與過我國的EAST, KTX，CFETR，法國的WEST，歐盟的EU-DEMO等多個聚變裝置的相關(guān)設計工作。目前，作為中方科技人員，參與國際熱核聚變試驗堆ITER的建設，在ITER總部工作。

 

上世紀90年代前，以小型托卡馬克為主

我國核聚變能研究始于世紀60 年代初，從70 年代開始，集中選擇了托卡馬克為主要研究途徑，先后建成并運行了小型裝置CT-6(中國科學院物理研究所)、KT-5(中國科學技術(shù)大學)、HT-6B(中國科學院等離子體物理研究所)、HL-1(核工業(yè)西南物理研究院)、HT-6M(中國科學院等離子體物理研究所)。在這些裝置的成功研制過程中，組建并鍛煉了一批聚變工程隊伍。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。

1985年1月18日，時任中科院院長的周光召同志來所參加HT-6M的運行典禮，并發(fā)表講話

上世紀90年代，開始發(fā)展中型托卡馬克

自上世紀90 年代以來，我國開展了中型托卡馬克發(fā)展計劃，探索先進托卡馬克經(jīng)濟運行模式和托卡馬克穩(wěn)態(tài)運行等問題。

1994 年，核工業(yè)西南物理研究院建成了HL-1M裝置，用反饋控制取代了原來的厚銅殼，進行了彈丸注入和高功率輔助加熱以及高功率非感應電流驅(qū)動下的等離子體研究。HL-1M裝置綜合性能指標達到了國際同類型同規(guī)模裝置的先進水平，其實驗研究數(shù)據(jù)列入ITER實驗數(shù)據(jù)庫。

HL-1M裝置

中國科學院等離子體物理研究所同時建成并運行了世界上超導裝置中第二大的HT-7 裝置，在圍繞長脈沖和穩(wěn)態(tài)等離子體物理實驗方面做了大量的工作，已經(jīng)獲得400 s、1000 萬度等離子體。HT-7總共運行了17年，累計完成了10萬次放電，2013年5月，HT-7正式被中國科學院和國家環(huán)保部批準退役，成為我國首個獲批退役的大科學工程裝置。

科研人員與HT-7合影

參與核聚變研究的高校們

隨著我國開始談判加入ITER 計劃，高校的磁約束核聚變等離子體物理研究開始陸續(xù)恢復和發(fā)展，最有代表性的是中國科學技術(shù)大學和華中科技大學。

華中科技大學通過國際合作，于2008 年完成了TEXT-U 托卡馬克裝置(現(xiàn)更名為J-TEXT)的重建工作，近年來，在該裝置上探索各種新思想、新診斷、新技術(shù)，培養(yǎng)聚變?nèi)瞬拧１本┐髮W、清華大學、上海交通大學、浙江大學、大連理工大學、四川大學、東華大學、北京科技大學、北京航空航天大學等學校的研究人員開展了托卡馬克等離子體湍流與輸運過程、磁流體不穩(wěn)定性、快粒子物理、波與等離子體相互作用、等離子體與壁相互作用、聚變堆材料和聚變工程技術(shù)等方面的研究，培養(yǎng)了一批研究生和年輕研究人員，并取得了一些很好的成果。

KTX反場箍縮裝置

中國科學技術(shù)大學，是承擔ITER 計劃專項國內(nèi)研究最重要的高校之一，承擔了“托卡馬克等離子體基本理論與數(shù)值模擬研究”、“托卡馬克等離子體診斷技術(shù)研究”、“反場箍縮磁約束聚變位形研究”、“聚變堆燃燒等離子體診斷關(guān)鍵技術(shù)研究”等項目。目前，科大已建成反場箍縮(KTX)裝置，其主要的科學目標之一就是從實驗上進一步檢驗這個磁約束等離子體演化的新理論。KTX 設計目標為：半徑比3.625(R/r=1.45 m/0.4 m)，最大等離子體電流1MA，無反饋時放電時間10-30 ms，主動反饋控制時間100 ms。

KTX反場箍縮裝置(中科大)

J-TEXT托卡馬克

J-TEXT托卡馬克是華中科技大學引進德克薩斯大學(奧斯丁)的聚變實驗裝置TEXT-U 建造的。從2003 年開始在國內(nèi)恢復重建工作，到2007 年9月實現(xiàn)了第一次等離子體放電。該裝置具有偏濾器位形和電子回旋共振加熱系統(tǒng)，運行區(qū)間從歐姆加熱模式、低約束模式和限制器下高約束模式擴展到了偏濾器運行模式、射頻加熱下的高約束模式等。

德克薩斯大學(奧斯丁)的TEXT-U裝置

該裝置的主要參數(shù)為：大環(huán)半徑105 cm，等離子體截面半徑30 cm，環(huán)向場磁感應強度3.0 T，環(huán)向等離子體電流300 kA。J-TEXT托卡馬克是目前國內(nèi)高校中唯一的中型托卡馬克聚變實驗裝置，專門用于培養(yǎng)核聚變技術(shù)人才和進行基礎性前沿性的物理實驗研究，成為ITER 的人才培養(yǎng)、培訓和磁約束聚變基礎研究的主要實驗平臺。

兩個重要的裝置

我國核聚變研究的主力軍是兩個研究所，即：核工業(yè)集團公司所屬的核工業(yè)西南物理研究院、中國科學院所屬的等離子體物理研究所。與這兩個研究所對應的是兩個對我國聚變研究非常重要的托卡馬克裝置。

中國環(huán)流器二號A(HL-2A)

中國環(huán)流器二號A(HL-2A)是核工業(yè)西南物理研究院利用德國ASDEX裝置主機3 大部件配套改建而成。1999 年正式動工建設，2002 年11 月中旬獲得初始等離子體。

HL-2A裝置的使命是研究具有偏濾器位形的托卡馬克物理，包括高參數(shù)等離子體的不穩(wěn)定性、輸運和約束，探索等離子體加熱、邊緣能量和粒子流控制機理，發(fā)展各種大功率加熱技術(shù)、加料技術(shù)和等離子體控制技術(shù)等，通過對核聚變前沿物理課題的深入研究和相關(guān)工程技術(shù)發(fā)展，全面提高我國核聚變科學技術(shù)水平，為中國下一步研究與發(fā)展打好堅實的基礎。

與HL-1M以及當時的國內(nèi)其他裝置不同，該裝置具有由相應的線圈和靶板組成的偏濾器，可以運行在雙零或單零偏濾器位形。這對開展高約束模(H 模)物理和邊緣物理研究及提高等離子體參數(shù)是非常關(guān)鍵的。

HL-2A裝置大功率加熱系統(tǒng)包括電子回旋加熱、低雜波和中性束注入系統(tǒng)。電子回旋共振系統(tǒng)用6 個回旋管作為微波源，最大功率為3 MW，頻率分別為68 GHz、140 GHz。中性粒子束系統(tǒng)的注入功率為3MW，中性粒子能量為30-50 keV。超聲分子束注入(SMBI)是中國的一項重要原創(chuàng)技術(shù)。

我國環(huán)流2號A(HL-2A)裝置

HL-2A裝置自運行以來，取得了很多新的研究成果。除了在電子回旋加熱實驗中獲得了4.9 keV的電子溫度，在中性束加熱條件下得到了2.5 keV的離子溫度等高參數(shù)外，成功實現(xiàn)了高約束模(H模)放電(圖3)，能量約束時間達到150 ms，等離子體總儲能大于78 kJ，在H模物理研究中，觀測到在L-H轉(zhuǎn)換過程中存在兩種不同的極限環(huán)振蕩，分別稱為原(Y)型、進(J)型和完整的動態(tài)演化過程。這為L-H模轉(zhuǎn)換的理論和實驗研究提供了新的思路。首次觀測到測地聲模和低頻帶狀流的三維結(jié)構(gòu);利用超聲分子束調(diào)制技術(shù)發(fā)現(xiàn)了自發(fā)的粒子內(nèi)部輸運壘，為等離子體輸運研究提出了新的課題，在湍流、帶狀流和輸運研究中，觀測到在強加熱L 模放電中高頻湍流能量向低頻帶狀流傳輸，為理解功率閾值提供了新的思路。運用電子回旋波加熱方式主動控制撕裂膜，改善等離子體約束。HL-2A 上開展的一系列前沿性實驗研究對于中國核聚變事業(yè)做出了創(chuàng)新性的貢獻。

東方超環(huán)(EAST)

在HT-7 成功運行的基礎上，“九五”國家重大科學工程——大型非圓截面全超導托卡馬克核聚變實驗裝置(Experimental Advanced Superconducting Tokamak，EAST)，也就是廣為人知的“人造太陽”，由中國科學院等離子體物理研究所于2000 年10 月開工建設。2006 年3月完成建造，并于2006年9月獲得初始等離子體。

EAST 裝置主機部分高11 m、直徑8 m、重400 t，由超高真空室、縱場線圈、極向場線圈、內(nèi)外冷屏、外真空杜瓦、支撐系統(tǒng)等6 大部件組成。EAST 裝置真空室的形狀為D形(非圓截面)。同國際上其他托卡馬克裝置相比，其獨有的非圓截面、全超導及主動冷卻內(nèi)部結(jié)構(gòu)3 大特性使其更有利于實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)長脈沖高參數(shù)運行。EAST位形與ITER 相似且更加靈活。

我國EAST裝置：世界首個全超導托卡馬克

EAST 裝置的目標是：研究托卡馬克長脈沖穩(wěn)態(tài)運行的聚變堆物理和工程技術(shù)，構(gòu)筑今后建造全超導托卡馬克反應堆的工程技術(shù)基礎。瞄準核聚變能研究前沿，開展穩(wěn)態(tài)、安全、高效運行的先進托卡馬克聚變反應堆基礎物理和工程問題的國內(nèi)外聯(lián)合實驗研究，為核聚變工程試驗堆的設計建造提供科學依據(jù)，推動等離子體物理學科其他相關(guān)學科和技術(shù)的發(fā)展。

在EAST 近年來的實驗中，取得了多項重要成果，主要包括：

2009年，獲得穩(wěn)定重復的60秒等離子體放電

2010年，實現(xiàn)了100秒長脈沖等離子體放電

2012年，獲得超過400秒的兩千萬度高參數(shù)偏濾器等離子體;獲得穩(wěn)定重復超過30秒的高約束等離子體放電

2014年，首次實現(xiàn)重復的完全抑制邊界局域模穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束等離子體

2015年，驗證輔助加熱系統(tǒng)運行能力，實現(xiàn)兩套中性束系統(tǒng)首次協(xié)同注入

2016年1月，實現(xiàn)了電子溫度超過5千萬度、持續(xù)時間達102秒的超高溫長脈沖等離子體放電

2016年11月，獲得超過60秒的完全非感應電流驅(qū)動(穩(wěn)態(tài))高約束模等離子體，成為世界首個實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模運行持續(xù)時間達到分鐘量級的托卡馬克核聚變實驗裝置

2017年7月，實現(xiàn)了穩(wěn)定的101.2秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束等離子體運行，創(chuàng)造了新的世界紀錄。

2018年11月，等離子體中心電子溫度首次達到1億度。

目前EAST裝置裝備了30 MW以上的輔助加熱和電流驅(qū)動系統(tǒng)以及近80 項診斷系統(tǒng)，絕大多數(shù)系統(tǒng)均具備高參數(shù)穩(wěn)態(tài)運行的能力，可開展先進聚變反應堆的前沿性、探索性研究，為聚變能的前期應用提供重要的工程和物理基礎。

EAST是達到國際先進水平的新一代磁約束核聚變實驗裝置。作為國家重大科學工程之一，EAST的成功建設和物理實驗使中國在磁約束聚變研究領域進入世界前沿，使中國成為世界上重要的聚變研究中心之一。

最新建成的HL-2M

HL-2M(中國環(huán)流器二號M)裝置是HL-2A的改造升級裝置，于2020年12月4日，首次放電成功。HL-2M裝置的建造目的是研究未來聚變堆相關(guān)物理及其關(guān)鍵技術(shù)，研究高比壓、高參數(shù)的聚變等離子體物理, 為下一步建造聚變堆打好基礎。在高比壓、高參數(shù)條件下，研究一系列和聚變堆有關(guān)的工程和技術(shù)問題。瞄準和ITER物理相關(guān)的內(nèi)容，著重開展和燃燒等離子體物理有關(guān)的研究課題,包括等離子體約束和輸運、高能粒子物理、新的偏濾器位型、在高參數(shù)等離子體中的加料以及第一壁和等離子體相互作用等。

HL-2M設計模型

HL-2M裝置的磁體由20個環(huán)向場線圈，歐姆場線圈和16個極向場線圈組成。環(huán)形真空室截面呈D形。真空室內(nèi)安裝上下偏濾器、第一壁及被動控制導體組件等。改造后的HL-2M裝置有以下特點：1)具有大的拉長比和三角形變的等離子體截面，具備獲得高比壓等離子體的基本條件;2)較小的縱橫比，環(huán)向場較小的情況下，可以達到3MA的等離子體電流;3)配建大功率加熱系統(tǒng)，以提高等離子體溫度和控制等離子體行為，有效控制高比壓等離子體中的主要磁流體不穩(wěn)定性，包括新經(jīng)典撕裂模，邊緣局域模，垂直不穩(wěn)定性和破裂不穩(wěn)定性等。另外新建一套脈沖容量為300MVA的飛輪脈沖發(fā)電機組，建設與HL-2M裝置主機相匹配的磁場電源系統(tǒng)。

改造升級后的HL-2M裝置能夠運行在先進的位形下，并具備更強的二級加熱功率，尤其是中性束加熱，從而開展聚變堆和ITER物理相關(guān)的聚變科學研究。作為可開展先進托卡馬克運行的一個受控核聚變實驗裝置，HL-2M將成為中國開展與聚變能源密切相關(guān)的等離子體物理和聚變科學研究的不可或缺的實驗平臺。充分發(fā)揮和利用裝置平臺靈活、可近性好的特點，結(jié)合ITER工程建造和即將開展的物理實驗研究以及國際聚變能研究發(fā)展的最新最近成果，在該裝置上開展與聚變能研究相關(guān)的物理實驗。

未來10年中國托卡馬克發(fā)展的展望

未來十年，重點在國內(nèi)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 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和下一代聚變工程堆穩(wěn)態(tài)高性能等離子體研究，實現(xiàn)磁場穩(wěn)定運行在3.5 T，等離子體電流1.0 MA，獲得400 s 穩(wěn)定、可重復的高參數(shù)近堆芯等離子體的科學目標，成為能為ITER 提供重要數(shù)據(jù)庫的國際大規(guī)模先進試驗平臺。結(jié)合全超導托卡馬克新的特性，探索和實現(xiàn)兩到三種適合于穩(wěn)態(tài)條件的先進托卡馬克運行模式，穩(wěn)態(tài)等離子體性能處于國際領先水平。在此階段，將重點發(fā)展專門的物理診斷系統(tǒng)，特別是對深入理解等離子體穩(wěn)定性、輸運、快粒子等密切相關(guān)的物理診斷。在深入理解物理機制的基礎上，發(fā)展對等離子體剖面參數(shù)和不穩(wěn)定性的實時控制理論和技術(shù)，探索穩(wěn)態(tài)條件下的先進托卡馬克運行模式和手段。實現(xiàn)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(xiàn)近堆芯穩(wěn)態(tài)等離子體放電奠定科學和工程技術(shù)基礎。同時需對裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行升級改造，以滿足穩(wěn)態(tài)高功率下高參數(shù)等離子體放電的要求。

在未來幾年內(nèi)，HL-2M裝置將完成升級，具有良好的靈活性和可近性的特點，進一步發(fā)展20—25 MW左右的總加熱和電流驅(qū)動功率，著重發(fā)展高性能中性束注入NBI系統(tǒng)(8—10 MW);增加電子回旋、低雜波的功率，新增2 MW電子回旋加熱系統(tǒng)。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，特別是探索未來示范堆高功率、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形成互補。

在我國的 “東方超環(huán)”、“中國環(huán)流器2M”托卡馬克裝置上開展與CFETR 物理相關(guān)的驗證性實驗， 為CFETR 的建設奠定堅實的基礎。在“十三五”后期，開始獨立建設20—100 萬千瓦的聚變工程實驗堆，在2030年前后建成CFETR。

CFETR 相較于目前在建的ITER，在科學問題上主要解決未來商用聚變示范堆必需的穩(wěn)態(tài)燃燒等離子體的控制，氚的循環(huán)與自持，聚變能輸出等ITER 未涵蓋內(nèi)容;在工程技術(shù)與工藝上，重點研究聚變堆材料、聚變堆包層及聚變能發(fā)電等ITER 不能開展的工作;掌握并完善建設商用聚變示范堆所需的工程技術(shù)。CFETR 的建設不但能為我國進一步獨立自主地開發(fā)和利用聚變能奠定堅實的科學技術(shù)與工程基礎，而且使得我國率先利用聚變能發(fā)電、實現(xiàn)能源的跨越式發(fā)展成為可能。

未來聚變堆關(guān)鍵設施預研平臺(合肥，在建)

未來聚變堆關(guān)鍵設施預研平臺(合肥，概念圖)

我國未來聚變發(fā)展戰(zhàn)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(fā)研究的堅實基礎，加速人才培養(yǎng)，以現(xiàn)有中、大型托卡馬克裝置為依托，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(wěn)定、高效、安全、實用的聚變工程堆的物理和工程技術(shù)基礎問題。以建立近堆芯級穩(wěn)態(tài)等離子體實驗平臺，吸收消化、發(fā)展與儲備聚變工程實驗堆關(guān)鍵技術(shù)，并設計、聚變工程實驗堆關(guān)鍵部件預研等為近期目標(2015—2023 年);以建設、運行聚變工程實驗堆，開展穩(wěn)態(tài)、高效、安全聚變堆科學研究為中期目標(2023—2040 年);以發(fā)展聚變電站，探索聚變商用電站的工程、安全、經(jīng)濟性為長遠目標(2050—2060 年)。

中國聚變工程試驗堆(CFETR)概念圖

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