可控核聚變科學(xué)技術(shù)前沿問題和進(jìn)展

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(lǐng)域，托卡馬克研究目前處于領(lǐng)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(shè)和研究，同時正在自主設(shè)計、研發(fā)中國聚變工程試驗堆（CFETR）。在慣性約束領(lǐng)域，Z箍縮作為能源更具潛力，有可能發(fā)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(jìn)展。二、磁約束聚變前沿問題（一）磁約束聚變的研究意義和現(xiàn)狀磁約束聚變是利用特殊形態(tài)的磁場把氘、氚等輕原子核和自由電子組成的處于熱核反應(yīng)狀態(tài)的超高溫等離子體約束在有限的體積內(nèi)，使等離子體受控制地發(fā)生大量的原子核聚變反應(yīng)，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(xiàn)氘、氚等離子體的自持燃燒，并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(fā)展最快。目前，磁約束聚變已經(jīng)取得重大進(jìn)展，我國正式參加了ITER項目的建設(shè)和研究；同時作為ITER裝置與聚變示范堆（DEMO）之間的橋梁，我國正在自主設(shè)計、研發(fā)CFETR項目。這些措施將使我國的磁約束聚變研究水平位于國際前列。（二）磁約束聚變的前沿問題磁約束聚變的研究開發(fā)不僅耗資巨大，而且在科學(xué)和技術(shù)上充滿了挑戰(zhàn)，以至于在經(jīng)歷了40多年的較具規(guī)模的國際聚變研究之后，直到20世紀(jì)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(shù)。磁約束聚變還處于探索階段，存在很多物理和工程技術(shù)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(nèi)容是與ITER裝置相關(guān)的各類物理與技術(shù)問題。ITER裝置設(shè)計總聚變功率達(dá)到5×105

kW，是一個電站規(guī)模的實驗反應(yīng)堆。它的作用和任務(wù)是利用具有電站規(guī)模的實驗堆證明氘、氚等離子體的受控點火和持續(xù)燃燒，驗證聚變反應(yīng)堆系統(tǒng)的工程可行性，綜合測試聚變發(fā)電所需的高熱流和核部件，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運行，從而為建造聚變能示范電站奠定堅實的科學(xué)基礎(chǔ)和必要的技術(shù)基礎(chǔ)。ITER計劃的科學(xué)目標(biāo)具體包括：①集成驗證先進(jìn)托卡馬克運行模式；②驗證“穩(wěn)態(tài)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(shù)范圍內(nèi)的約束定標(biāo)關(guān)系；⑥加料和排灰技術(shù)。ITER裝置運行第一階段的主要目標(biāo)是建設(shè)一個氘、氚燃燒能產(chǎn)生5×105

kW聚變功率、聚變增益系數(shù)Q=10、脈沖維持大于400s的托卡馬克聚變堆。在ITER裝置中將產(chǎn)生與未來商用聚變反應(yīng)堆相近的氘、氚燃燒等離子體，供科學(xué)家和工程師研究其性質(zhì)和控制方法，這是實現(xiàn)聚變能必經(jīng)的關(guān)鍵一步。ITER裝置運行的第二階段將探索實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束的高性能燃燒等離子體，聚變增益系數(shù)Q=5、脈沖維持大于3000s。這種穩(wěn)態(tài)高性能的“先進(jìn)燃燒等離子體”是建造托卡馬克型商用聚變堆所必需的。ITER計劃在后期還將探索實現(xiàn)高增益的燃燒等離子體。ITER計劃科學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)將為商用聚變堆的建造奠定可靠的科學(xué)和工程技術(shù)基礎(chǔ)。此外，ITER計劃的工程技術(shù)目標(biāo)是通過創(chuàng)造和維持氘、氚燃燒等離子體，檢驗和實現(xiàn)各種聚變技術(shù)的集成，并進(jìn)一步研究和發(fā)展能直接用于商用聚變堆的相關(guān)技術(shù)。上述工作是設(shè)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(shù)方面部分驗證的聚變堆的工程技術(shù)問題包括以下幾個。（1）堆級磁體及其相關(guān)的供電與控制技術(shù)研究；（2）穩(wěn)態(tài)燃燒等離子體（產(chǎn)生、維持與控制）技術(shù)，即無感應(yīng)電流驅(qū)動技術(shù)、堆級高功率輔助加熱技術(shù)、堆級等離子體診斷技術(shù)、等離子體位形控制技術(shù)、加料與除灰技術(shù)的研究；（3）初步開展高熱負(fù)荷材料試驗；（4）包層技術(shù)、中子能量慢化及能量提取、中子屏蔽及環(huán)保技術(shù)研究；（5）低活化結(jié)構(gòu)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(shù)研究；（6）熱室技術(shù)，堆芯部件遠(yuǎn)距離控制、操作、更換及維修技術(shù)研究。ITER將集成當(dāng)今國際受控磁約束核聚變研究的主要科學(xué)和技術(shù)成果，第一次在地球上實現(xiàn)能與未來實用聚變堆規(guī)模相比擬的受控?zé)岷司圩儗嶒灦眩鉀Q通向聚變電站的關(guān)鍵問題。ITER計劃的成功實施，將全面驗證聚變能源開發(fā)利用的科學(xué)可行性和工程可行性，是人類受控?zé)岷司圩冄芯孔呦驅(qū)嵱玫年P(guān)鍵一步。（三）我國磁約束聚變研究的技術(shù)目標(biāo)和發(fā)展規(guī)劃我國核聚變能研究開始于20世紀(jì)60年代初，盡管經(jīng)歷了長時間非常困難的階段，但始終能堅持穩(wěn)定、漸進(jìn)的發(fā)展。從20世紀(jì)70年代開始，我國集中選擇了托卡馬克為主要研究途徑，先后建成并運行了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(xué)的J-TEXT裝置、核工業(yè)西南物理研究院的HL-2M裝置和中國科學(xué)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(shè)計、研制和實驗過程中，組建并鍛煉了一批聚變工程師隊伍，中國科學(xué)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(fā)展戰(zhàn)略應(yīng)瞄準(zhǔn)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(chǔ)，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(chǔ)問題。我國磁約束聚變的近期、中期和遠(yuǎn)期技術(shù)目標(biāo)如下。（1）近期目標(biāo)（2015—2021年）：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)，設(shè)計、預(yù)研聚變工程實驗堆關(guān)鍵部件等；（2）中期目標(biāo)（2021—2035年）：建設(shè)、運行聚變工程實驗堆，開展穩(wěn)態(tài)、高效、安全聚變堆科學(xué)研究；（3）遠(yuǎn)期目標(biāo)（2035—2050年）：發(fā)展聚變電站，探索聚變商用電站的工程、安全、經(jīng)濟性。為了盡早地實現(xiàn)可控聚變核能的商業(yè)化，充分利用我國現(xiàn)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(fā)展路線示意圖，如圖1所示。圖1中國磁約束聚變發(fā)展路線圖未來十年，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(wěn)態(tài)高性能等離子體研究，實現(xiàn)磁場穩(wěn)定運行在3.5T、等離子體電流1.0MA，獲得400s穩(wěn)定、可重復(fù)的高參數(shù)近堆芯等離子體的科學(xué)目標(biāo)，成為能為ITER裝置提供重要數(shù)據(jù)庫的國際大規(guī)模先進(jìn)試驗平臺。結(jié)合全超導(dǎo)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(jìn)托卡馬克運行模式，穩(wěn)態(tài)等離子體性能處于國際領(lǐng)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(chǔ)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(jìn)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(yīng)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(xué)和工程技術(shù)基礎(chǔ)。同時需對裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)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，進(jìn)一步發(fā)展20~25MW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)（8~10MW）；增加電子回旋、低雜波的功率，新增2MW電子回旋加熱系統(tǒng)。利用獨特的先進(jìn)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(fù)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(shè)計及工程建設(shè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，以我為主開展CFETR的詳細(xì)工程設(shè)計及必要的關(guān)鍵部件預(yù)研，并結(jié)合以往的物理設(shè)計數(shù)據(jù)庫，在我國的“東方超環(huán)”“中國環(huán)流器2號改進(jìn)型”托卡馬克裝置上開展與CFETR裝置物理相關(guān)的驗證性實驗，為CFETR裝置（大半徑R=7.2m，小半徑a=2.2m，中心環(huán)向磁場Bt=6.5T，拉長比k=2，如圖2所示）的建設(shè)奠定堅實基礎(chǔ)。在“十三五”后期，2021年左右開始獨立建設(shè)2×105~1×106

kW的聚變工程實驗堆，在2035年前后建成CFETR裝置。CFETR裝置相較于目前在建的ITER裝置，在科學(xué)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技術(shù)，氚的循環(huán)與自持，聚變能輸出等ITER裝置未涵蓋內(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裝置上不能開展的工作；掌握并完善建設(shè)商用聚變示范堆所需的工程技術(shù)。CFETR裝置的建設(shè)不但能為我國進(jìn)一步獨立自主地開發(fā)和利用聚變能奠定堅實的科學(xué)技術(shù)與工程基礎(chǔ)，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。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(xiàn)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，壓縮并加熱聚變?nèi)剂?，在?nèi)爆運動慣性約束下實現(xiàn)熱核點火和燃燒?；诿}沖功率技術(shù)的快Z箍縮（fastZ-pinch）技術(shù)可以實現(xiàn)驅(qū)動器電儲能到Z箍縮負(fù)載動能或X射線輻射能的高效率能量轉(zhuǎn)換，能量較為充足，驅(qū)動器造價相對低廉，并有望實現(xiàn)驅(qū)動器重頻運行，將為驅(qū)動ICF以及慣性聚變能（IFE）提供可用的能量源。20世紀(jì)末，在美國圣地亞（Sandia）國家實驗室20MA的Z裝置上，采用雙層絲陣，產(chǎn)生了峰值功率280TW、總能1.8MJ的X射線輻射脈沖，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(zhuǎn)換效率高達(dá)15%。在Z箍縮驅(qū)動ICF研究方面，Sandia實驗室采用動態(tài)黑腔輻射間接驅(qū)動靶丸內(nèi)爆，在Z裝置上獲得了超過210eV的黑腔輻射場，驅(qū)動兩層氘氘靶丸內(nèi)爆，產(chǎn)生了3×1011個聚變中子。2010年，Sandia實驗室發(fā)展了直接驅(qū)動的磁化套筒慣性聚變（MagLIF）構(gòu)型，并在2014年的Z裝置集成實驗中，利用Be套筒內(nèi)爆壓縮經(jīng)過預(yù)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沖功率驅(qū)動器、Z箍縮物理理論與數(shù)值模擬、實驗與診斷、負(fù)載制備、制靶技術(shù)等Z箍縮方面的專業(yè)研究隊伍，并深入開展了理論和物理實驗研究、快Ｚ箍縮內(nèi)爆研究、輻射特性研究。已成功建成8~10MA的“聚龍一號”裝置，為進(jìn)一步開展內(nèi)爆物理及Z箍縮驅(qū)動慣性約束聚變基礎(chǔ)問題的研究提供了重要的實驗平臺。Z箍縮X射線輻射源以及Z箍縮驅(qū)動慣性約束聚變，涵蓋了磁流體力學(xué)、輻射輸運、原子物理、等離子體微觀不穩(wěn)定性、強脈沖磁場下的輸運機制等多物理過程和復(fù)雜物理效應(yīng)，對這樣一個復(fù)雜的多尺度、多物理過程，目前的實驗平臺還無法對聚變點火進(jìn)行直接的實驗驗證，數(shù)值模擬是研究Z箍縮驅(qū)動ICF物理問題的重要手段。自2000年以來，北京應(yīng)用物理與計算數(shù)學(xué)研究所建立了專門的Z箍縮理論和數(shù)值模擬研究團(tuán)隊，圍繞Z箍縮輻射源物理和驅(qū)動ICF技術(shù)路線開展了大量研究。研制和發(fā)展了一維、二維輻射磁流體力學(xué)（MHD）程序，研究了驅(qū)動器與負(fù)載耦合、絲消融、先驅(qū)等離子體形成、主體等離子體內(nèi)爆加速和滯止輻射過程，分析了輻射定標(biāo)率、磁瑞利–泰勒（MRT）不穩(wěn)定性和角向不均勻性變化規(guī)律，獲得了輻射源的時空特性和能譜特征。研究了利用Z箍縮動態(tài)黑腔構(gòu)型驅(qū)動ICF的整體物理過程，并對動能加載和直接驅(qū)動等技術(shù)路線進(jìn)行了初步探索。2006年以來，中國工程物理研究院研究團(tuán)隊提出并形成了Z箍縮驅(qū)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(qū)動器、能源靶、次臨界能源包層構(gòu)成。預(yù)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，后處理簡化，可滿足人類上千年的能源需求。（二）驅(qū)動器與負(fù)載能量耦合Z箍縮技術(shù)的各種應(yīng)用取決于脈沖功率驅(qū)動源與負(fù)載的匹配關(guān)系。負(fù)載是實現(xiàn)超高功率電脈沖能量高效轉(zhuǎn)換的載體，其動態(tài)行為演變由驅(qū)動源和本身初始狀態(tài)共同決定。用于驅(qū)動Z箍縮內(nèi)爆產(chǎn)生聚變等離子體的脈沖功率技術(shù)面臨巨大挑戰(zhàn)。顯然，Z箍縮最顯著的特征之一是負(fù)載與驅(qū)動器的強耦合。若改變負(fù)載參數(shù)，隨之將改變驅(qū)動器與負(fù)載的阻抗匹配和能量耦合，進(jìn)而影響流過負(fù)載的電流參數(shù)以及負(fù)載的Z箍縮內(nèi)爆動力學(xué)過程。筆者團(tuán)隊建立了全電路模型，研究驅(qū)動器內(nèi)的電磁能量傳輸和功率壓縮過程，并與MHD程序耦合，研究了驅(qū)動器與負(fù)載的能量耦合過程，可以模擬給出驅(qū)動器不同位置的電流、電壓波形，以及負(fù)載等離子體電流和X射線輻射產(chǎn)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(tuán)隊成功地構(gòu)造了“聚龍一號”裝置的集總電路模型，如圖4所示，經(jīng)過多輪“聚龍一號”Z箍縮實驗驗證，獲得了可靠的等效參數(shù)數(shù)據(jù)，為Z箍縮實驗物理設(shè)計提供了重要依據(jù)。圖3“聚龍一號”裝置電功率和X射線輻射功率注：Load為負(fù)載；OTL為三板線出口電功率；PFL為脈沖形成線電功率；IS為中儲電功率。

圖4“聚龍一號”裝置用于Z箍縮實驗的集總電路模型隨著電磁能量在驅(qū)動器內(nèi)傳輸，電功率增加，電脈沖脈寬變短，Marx發(fā)生器微秒級的電脈沖轉(zhuǎn)換為三板線附近數(shù)十納秒的電脈沖，實現(xiàn)了能量壓縮和電功率放大。進(jìn)一步與負(fù)載耦合，就可以獲得相對于電功率更高的X射線輻射脈沖。若改變負(fù)載參數(shù)，在不改變驅(qū)動器內(nèi)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。如果采用過輕或者過重的負(fù)載，無法達(dá)到驅(qū)動器與負(fù)載能量的高效傳輸，產(chǎn)生的X射線輻射峰值功率相對較低。因此需要進(jìn)行負(fù)載優(yōu)化設(shè)計，以獲得強X射線輻射。四、我國Z箍縮聚變研究的技術(shù)方向和發(fā)展規(guī)劃我國已重點開展了Z箍縮等離子體內(nèi)爆動力學(xué)及其輻射源物理研究，并獲得了豐富的研究成果，Z-FFR總體概念設(shè)計研究取得顯著進(jìn)展。但是，對電流前沿與Z箍縮負(fù)載參數(shù)和內(nèi)爆動力學(xué)的關(guān)系、Z箍縮等離子體輻射源定標(biāo)律和Z箍縮動態(tài)黑腔輻射場（溫度）定標(biāo)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(zhuǎn)換效率等關(guān)鍵問題研究很少。超強脈沖磁場是Z箍縮過程最顯著的特征，