磁約束聚變能源具有安全、經濟和環境友好的優點，是未來理想的戰略能源，可為“雙碳”目標的實現做出重大貢獻。磁約束聚變是利用磁場將氘和氚燃料以等離子體的形式約束并發生聚變反應，被認為有希望徹底解決人類的能源問題，也是中國核能發展的長遠目標。當前中國正在積極參加國際熱核聚變實驗堆(ITER)的建設，支持國內ITER專項的物理和工程技術研究，在吸收和消化ITER經驗的基礎上，自主設計以獲取聚變能源為目標的中國聚變工程試驗堆(CFETR)。聚變能源開發難度很大，機遇和挑戰并存，需要長期持續攻關。

能源短缺和環境污染等問題使得開發清潔能源成為迫切任務。與目前所使用的能源以及正在開發和發展的清潔能源相比，磁約束聚變能源具有安全、經濟和環境友好的優點，是未來理想戰略能源。因此，中國核能發展路線將發展核聚變技術作為長遠目標。

近年來，磁約束聚變領域取得了重大進展。目前世界各國聚變試驗裝置的研究結果表明，基于超導托卡馬克的磁約束聚變能開發利用具有充分的科學可行性。當今世界規模最大、影響最深遠的國際大科學工程國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃由歐盟、中國、韓國、俄羅斯、日本、印度和美國7個國家和地區合作承擔。ITER裝置已于2020年7月28日在法國的卡達拉舍啟動安裝，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，如集成驗證先進托卡馬克運行模式等科學問題，和堆級磁體及其相關的供電與控制等工程技術問題。

當前，中國正在大力支持磁約束聚變界積極參加ITER的建設和實驗，支持國內配套物理和工程技術研究，支持在吸收消化ITER經驗的基礎上，自主設計以獲取聚變能源為目標的中國聚變工程試驗堆(CFETR)。目前，中國聚變工程試驗堆的物理和工程概念設計已經基本完成，將適時啟動CFETR的全面建設。

一、 磁約束聚變領域國內外研究進展

國際磁約束聚變領域研究進展

磁約束聚變還處于探索階段，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計劃的科學目標為集成驗證先進托卡馬克運行模式，驗證“穩態燃燒等離子體”物理過程、聚變阿爾法粒子物理、燃燒等離子體控制、新參數范圍內的約束定標關系以及加料和排灰技術。ITER計劃的工程技術目標有：堆級磁體及其相關的供電與控制技術研究;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;初步開展高熱負荷材料試驗;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;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;熱室技術，堆芯部件遠距離控制、操作、更換及維修技術研究。因此，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。

ITER計劃將托卡馬克裝置的研究推向了高潮。國際上，美國、日本、歐盟、韓國等主要國家和地區都制定了詳細的聚變能源發展路線，一方面積極參與ITER計劃的建造和實驗，吸收ITER技術和經驗;另一方面，在各國建設和發展自己的下一代聚變商業示范堆(Demonstration power plant，DEMO)裝置并開展與ITER配套的相關研究。例如歐盟的聚變發展路線分為近期、中期和長期3個階段。近期，將在歐洲聯合環(JET)等現有裝置上開展研究，包括參與建設ITER、支撐ITER的配套研究、概念設計DEMO裝置、在JET裝置上開展氘氚實驗等。中期，將參與ITER實驗、開展EU-DEMO裝置的工程設計、開展未來反應堆材料和關鍵技術研究等。長期來看，計劃從ITER裝置獲得高性能等離子體和先進技術的經驗、建造EU-DEMO裝置、驗證聚變電站的可行性，探索聚變商業化的路徑。目前規模最大的托卡馬克裝置歐洲聯合環于2021年12月21日通過氘氚聚變反應產生了脈沖寬度5s、能量輸出59MJ的等離子體。ITER預計會從2035年開始使用這樣的聚變燃料，而JET的最新實驗是向ITER最終目標邁出的重要一步。

國內磁約束聚變領域研究進展

中國自20世紀90年代開始托卡馬克研究，先后建成運行合肥超環(HT-7)、中國環流器二號(HL-2A)及東方超環(EAST)等裝置。2006年中國正式加入ITER項目，負責完成了ITER裝置多個重要部件的設計、制造與裝配任務。中國根據自己的國情，制定了中國磁約束聚變能發展路線圖(圖1)。中國磁約束聚變能的開發將分為3個階段：第一階段，力爭在2025年推動中國聚變工程試驗堆立項并開始裝置建設;第二階段，到2035年建成中國聚變工程試驗堆，調試運行并開展物理實驗;第三階段，到2050年開始建設商業聚變示范電站。CFETR將著力解決一系列存在于ITER和DEMO之間的科學與技術挑戰，包括實現氘氚聚變等離子體穩態運行，公斤級氚的增殖、循環與自持技術，可長時間承受高熱負荷、高中子輻照的第一壁和先進偏濾器材料技術等。合肥綜合性國家科學中心的“十三五”重大科技基礎設施“聚變堆主機關鍵系統綜合研究設施”項目正在建設中，將瞄準聚變堆主機關鍵系統設計研制，建設國際一流開放性綜合測試和研究設施，這為中國掌握未來聚變堆必備的關鍵工程技術創造了有利條件。

圖1 中國磁約束聚變能發展技術路線

目前，國內在積極參與ITER計劃的建造和實驗，消化和吸收ITER技術和經驗，努力縮短與發達國家的技術差距。表1是中國EAST、CFETR裝置與ITER、韓國DEMO(K-DEMO)、日本DEMO(JA-DEMO)、歐盟DEMO(EU-DEMO)之間的關鍵參數對比。磁約束核聚變距離聚變能源的商業應用還比較遠。對磁約束聚變而言，實現大量聚變反應所需的關鍵技術是加熱、約束(實現聚變)和“維持”(長時間或平均長時間的聚變反應)。未來的磁約束聚變裝置必須以長脈沖或者連續方式運行，以便獲得可控的聚變能量并穩定輸出，這具有相當大的挑戰。此外，聚變能源商業應用前還面臨研制能耐高能中子輻照的材料，建立能夠實現氚自持的燃料循環等諸多工程技術挑戰。

表1 中國EAST、CFETR裝置與ITER、韓國DEMO(K-DEMO)、日本DEMO(JA-DEMO)、歐盟DEMO(EU-DEMO)之間的關鍵參數對比

近年來，中國磁約束聚變能技術取得了一系列重要進展。2021年5月28日，EAST裝置實現了可重復的1.2億度101s等離子體運行和1.6億度20s等離子體運行。2021年6月8日，EAST裝置總放電實驗次數突破10萬次。2021年12月30日晚，實現1056s的長脈沖高參數等離子體運行，這是目前世界上托卡馬克裝置高溫等離子體運行的最長時間。2023年4月12日，EAST成功實現了403s可重復的穩態長脈沖高約束模式等離子體運行，創造了托卡馬克裝置高約束模式運行新的世界紀錄。EAST裝置創造的多項托卡馬克運行的世界紀錄，標志著中國在磁約束聚變研究領域引領國際前沿，也為中國自主建造聚變工程實驗堆提供了堅實的科學技術基礎。

磁約束聚變領域的新思想、新技術和新途徑

近年來，高溫超導強場磁體技術的突破形成了新的緊湊型聚變堆技術路線，不僅成本大大降低，更使研發周期大幅縮短。麻省理工學院(MIT)將緊湊型聚變堆評為2022年度十大突破性技術之一。市場資本的快速進入進一步加速了可控核聚變商業化項目進程，也強勢帶動了高溫超導強場磁體的市場需求。國際上代表性的有美國麻省理工學院的高溫超導緊湊型托卡馬克SPARC裝置和英國卡拉姆聚變能源中心負責的STEP裝置，目前均處于概念設計階段。國內多家民營企業，如新奧集團、星環聚能、能量奇點等均開展了相關研究。此外，懸浮偶極場磁約束裝置是磁約束等離子體的另一條新型技術路線，該裝置在聚變研究方向同樣具有較大的發展潛力。

二、 CFETR物理與工程研究進展

中國聚變工程試驗堆是中國自主開發和設計的下一代聚變裝置，旨在彌補ITER和未來聚變堆之間的差距，已進行了數輪總體工程設計。CFETR將分2個階段運行：第一階段的目標是實現50~200MW的聚變功率，聚變增益Q=1~5，氚增值率TBR>1.0，中子輻照效應~10dpa;第二階段的目標是聚變功率>1GW，聚變增益Q>10，在中子輻照效應~50dpa的條件下進行托卡馬克DEMO驗證。CFETR裝置大半徑R=7.2m，小半徑a=2.2m，可以兼容第一階段和第二階段的目標，最新CFETR裝置主機設計如圖2所示。

圖2 CFETR裝置主機

CFETR物理研究進展

CFETR物理設計主要關注運行模式的開發及其在物理和工程約束下的優化，通過一系列的計算和模擬開發的運行模式將用于預測聚變性能，探索和確定具有良好約束和磁流體動力學(magnetohydrodynamic，MHD)穩定性的運行空間。在接近理想聚變性能的同時，評估和限制氦和其他雜質粒子的比例，評估功率和粒子排出與所選偏濾器配置的兼容性，評估和控制第一壁和偏濾器的過渡和穩定熱負荷，以保證裝置的安全。圍繞科學目標所進行的物理設計在集成模擬平臺OMFIT(One Modeling Framework for Integrated Tasks)上使用輸運、輔助加熱、平衡以及臺基計算等相關程序，進行自洽的邊界-芯部耦合的集成模擬，給出CFETR上自洽的等離子體運行方案。在這個過程中，可提取出關于CFETR聚變性能的預測信息，工作流程如圖3所示。采用OMFIT集成模擬平臺設計出了混合運行模式與完全非感應穩態運行兩種長脈沖運行模式，以及相應的統一的電流驅動功率配比方案。

圖3 OMFIT集成模擬流程中工作流程

穩態運行模式，即完全非感應運行模式。在完全非感應運行模式中所有的等離子電流(100%)都通過非感應方法提供。這個運行模式的設計中，通常要求有較高的自舉電流份額，這有利于降低對外部驅動電流的需求，并在裝置參數確定的情況下，通過優化運行模式來獲得較高的聚變增益。在CFETR的完全非感應模式的設計中，通過使用有限的外部電流驅動，控制電流剖面在徑向上的分布，獲得具有局部反剪切的安全因子剖面，改善芯部的粒子約束能力，從而形成了約束增強型內部輸運壘。表2是CFETR開發的完全非感應穩態運行模式的0維關鍵參數，聚變功率范圍從100MW到大于1GW的DEMO水平。

ITER物理設計中，采用感應電流(50%)和非感應電流(50%)的混雜運行方案，也是CFETR的選項之一。值得注意的是，在2種先進運行模式下，選擇較低的等離子體電流，可以使邊界安全系數更高，從而有利于避免長脈沖運行過程中發生等離子體破裂，同時，輔助加熱功率和電流驅動功率也不用過大。

CFETR工程研究進展

CFETR設計主要包括13個方面：裝置布局與系統集成、等離子體物理集成設計、超導磁體與低溫系統、真空室與真空系統、裝置內部部件(包層、偏濾器等)、等離子體加熱與電流驅動系統、診斷系統與CODAC(控制、數據存取和通信系統)、電源系統與控制工程、燃料循環與廢物處理、輻射防護安全與RAMI(Reliability，Availability，Maintainability，Inspectability)、遙操作與維護系統、以及輔助系統及項目管理。目前“CFETR集成工程設計研究”項目(2017—2020)已經結題，基本完成了全面詳細的工程設計。

“聚變堆主機關鍵系統綜合研究設施”(CRAFT)于2019年正式立項。CRAFT主體工程由聚變堆主機最具挑戰性的2大系統組成，分別為大型復雜的超導磁體系統和極端工況下偏濾器系統。超導磁體研究系統包括材料綜合性能研究平臺、導體性能研究平臺、磁體性能測試平臺、環向場磁體、高溫超導磁體、中心螺管模型線圈磁體、低溫系統以及電源系統。偏濾器研究系統包括偏濾器等離子體與材料相互作用研究平臺、偏濾器部件工程測試平臺、偏濾器原型部件、全超導托卡馬克核聚變實驗裝置下偏濾器、1/8真空室及總體安裝系統、負離子源中性束注入系統、電子共振加熱系統、高場低雜波電流驅動系統、離子回旋加熱系統、遙操作系統以及總控系統。CRAFT項目瞄準聚變堆主機關鍵系統設計研制，目標是建設國際一流開放性綜合測試和研究設施。目前CRAFT項目總體進展順利，正按照既定計劃穩步推進，已全面進入關鍵部件研制階段，部分已開展安裝調試，取得了一批階段性亮點成果。除此之外，其他一些關鍵技術也在ITER專項的支持下得到了發展。

表2 CFETR穩態運行模式關鍵參數(R=7.2m，a=2.2m，k=2)

三、結論

近年來，中國的磁約束聚變研究取得了突飛猛進的發展，物理實驗成果和工程技術能力引領國際前沿。EAST裝置創造了多項托卡馬克運行的世界紀錄;CFETR的物理和工程概念設計基本完成，將著力解決一系列存在于ITER和DEMO之間的科學與技術挑戰;深度參與ITER計劃，中方承擔的ITER采購包質量和進度位居合作七方之首。此外，高溫超導材料的快速發展也為磁約束聚變的發展帶來了機遇。

總體而言，磁約束聚變能源開發難度很大，國家需要長期持續支持聚變領域的發展。建議中國繼續深入ITER國際合作計劃，全面掌握未來聚變堆必備的關鍵物理與工程技術;積極推進CFETR主機關鍵部件研發，適時啟動CFETR全面建設。同時，繼續關注國際聚變能研究的新思想、新技術和新途徑，助力能源強國目標的早日實現。

作者簡介：高翔，中國科學院等離子體物理研究所，研究員，研究方向為聚變堆物理設計與先進磁約束裝置;萬元熙(通信作者)，中國科學院等離子體物理研究所，中國工程院院士，研究員，研究方向為磁約束核聚變。