中国距核聚变发电还有6年?将开建全球最大脉冲驱动器，2028年发电

《南华早报》报道了一个让人惊喜的消息，中国顶级科学家称核聚变发电距离我们只有6年的时间了，据这位科学家表示，中国政府已批准建设世界上最大的脉冲驱动器，计划在2028利用核聚变能并网发电。

Z-FFR聚变电站：更容易实现的核聚变发电技术

《南华早报》报道称，发布这消息的是中国工程物理研究院的彭先觉院士，他是在9月9日北京Techxcope（远望智库）的在线会议上表示“聚变点火是当今世界科技皇冠上的一颗明珠”，但是要实现聚变点火太难了！

彭院士说核聚变点火有两种，一种是激光点火，利用高频脉冲的极光输出来点燃核聚变燃料小球，但这需要性能极高的储能设施比如高性能电容与激光来驱动，对目前来说技术难度太高。

另一种是磁约束等离子体核聚变，这种是利用磁场约束极端高温的氘氚等离子体来让其中的氘核和氚核聚变，不仅需要不断对等离子体提供加热，还需要长时间约束它，尽管已经露出一线曙光，多项技术上获得了突破，但难度同样非常大，实际应用遥遥无期。

彭院士表示一种包含聚变和裂变反应堆结构的混合堆可以相对降低这个难度，Z-FFR聚变堆的中心聚变需求功率比较低，易于实现，用聚变为裂变提供中子增值，聚变只占整个反应堆能量的5%，裂变占95%，这个混合堆可以使用核废料作为原料，将会率先实现聚变应用！

Z-FFR混合堆，用的是什么技术？

Z-FFR其实是两种技术的混合，Z-箍缩技术和裂变增殖堆，网上关于这方面的资料比较少，笔者找到了《中国工程科学》期刊上的一篇论文，可算是说明白了：

Z-箍缩其实是一种惯性约束结束，这个说起来有点复杂，这里先给出一个简单的概念，和那个惯性约束的激光点火核聚变是有一种约束类型，只不过点火方式改成了脉冲电流产生的强磁场，它的标准定义如下：

数十MA大电流（Z方向流动）通过金属柱形薄套筒产生的巨大洛伦兹力（磁压强度达百万大气压以上）推动套筒等离子体高速径向内爆（箍缩），并以每秒数百公里的速度撞击聚变靶丸，把动能转化为实现聚变所需的辐射能（X射线）和物质内能。
脉冲电流产生的强磁场作用于自身载流等离子体负载，使其受到洛仑兹力作用而向负载轴心内爆，通过惯性约束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光辐射能的高效率能量转换。2010年提出的Z箍缩直接驱动激光预热磁化套筒结合了惯性约束中压缩加热和磁约束中磁绝缘和α加热增强的优势，有望为实现聚变提供新途径。

大致意思是目前激光约束突破很难，但Z-箍缩给出了一个新方向，使得聚变的门槛变得更低，原因也比较简单，与磁约束动辄几栋楼那么大、聚变腔体堪比一个小会议室，Z-箍缩明显要小很多，能量输入也不大。

Z-FFR混合堆的另一个关键就是次临界反应堆，它以低含量铀-235为核燃料，混合大量铀-238（普通核反应堆中这个为核废料），轻水为传热、慢化介质并与压水堆技术结合的次临界反应堆。

它的工作过程是这样的，氘氚聚变后的高能中子能量达14MeV，通过轻水减速后被铀-235捕获发生裂变，其裂变产生的2~3个“中能”中子被轻水减速后再被铀-235捕获再次裂变。

另一个则是轻水减速中子的效果很差（就需要它不好），大部分聚变产生的高能中子并不会被减速，而是直接被铀-238捕获，高能中子可以直接让其裂变，能量稍低的也能让其完成增殖变成铀-239、经过几次衰变后转化为钚-239。

钚-239大家都知道，这是制造原子弹的原料，当然这也是可以裂变的产物，所以在混合堆中裂变燃料利用率之高难以想象，比如快中子增殖堆中的钍等都以利用起来，对这些可裂变或者原来的裂变堆中的难以裂变的原料甚至核废料都可以裂变，利用率可达90%以上，就目前地球上的铀、钍资源可以为人类提供千年的能源。

还有一个关键则是其裂变过程的中子大部分都是Z-箍缩核聚变提供，如果Z-FFR混合堆失控，Z-箍缩核聚变停堆，那么提供裂变的高能中子将减少直至消失，这个裂变堆也会渐渐停止，不存在热失控的问题，这就是次临界堆的安全性。

因此Z-FFR混合堆安全性相当高，而且对中心核聚变堆的功率要求比较低，不过其制造成本就目前而言仍然比较高，100万千瓦的Z-FFR混合堆造价为30亿美元左右。

2028年并网发电？

Z-FFR混合堆中包含三个部分：Z-箍缩驱动器、聚变靶及爆室、次临界能源堆，最关键的技术是Z-箍缩驱动器，它需要数十兆安量级的电流产生百万大气压的磁压力，驱动套筒等离子体以每秒数百公里高速向心内爆，实现靶丸聚变。

彭院士认为，目前用于用于聚变研究的至少需要60兆安电流的驱动器，采用LTD拓扑结构，降低基本放电单元的能量和功率；增大电流脉冲上升前沿时间和负载半径；提出新型的磁绝缘传输线（MITL）等降低技术要求。

彭院士表示，通过极强的电脉冲产生的磁压力的驱动器将于2025年左右在成都建成，这台驱动器将产生5000万安培的电流，大约是美国桑迪亚国家实验室的类似设备Z-箍缩设备的两倍，它是2028年完成Z-FFR混合堆最关键的设备，这将为在2035年前完成商业发电做好准备。

核聚变发电技术：到底有几种？为何会那么难？

如果不是很熟悉核聚变路线的朋友，对上文中的磁约束、惯性约束等关键词可能看得云里雾里，不过没关系，下文会继续介绍下核聚变的几条路线以及目前大致的进度。

核聚变的种类以及实现的难度

核裂变是利用重核被中子轰击后裂变为两个较轻的原子核，并且会释放出2~3个中子和大量能量的过程，核聚变刚好和这个过程相反，过程是两个个轻核聚变成两个重核的过程，你没有看错，重核裂变、轻核聚变都可以放出巨大能量，两者“交汇点”是铁核，因此恒星中一旦生成铁就无法聚变了，也没法裂变，成了一个“死球”，未来将会坍缩形成超新星爆发。

扯远了，再回到核聚变，尽管铁核前的原子核大部分都能聚变，但实现难度太高，因此科学家会找最容易聚变的原子核，这个标准就是结合能低，大致的顺序是原子序数越靠前结合能越低，氢最低（氢有氕氘氚三种同位素，氕占比最高为99.98%，氘为0.02%，氚痕量），不过两个氕核聚变要先吸收能量，将其中一个质子转变为中子，变成氘后再聚变，要求太高，只有太阳那样的核心才能完成，而且效率极低。

太阳核心的质子-质子链反应

因此科学家直接就找了氘和氚，也就是氢弹中的聚变材料，虽然这两种聚变材料条件比较低，但如果在没有特别大压力条件下，至少需要上亿度的高温并且长时间保持这个状态，才能让氘核和氚核有机会碰撞完成聚变，核聚变路线就是如何让这两种原子核保持在如此高温状态之下让其聚变的技术。

元素的结合能

就目前的核聚变路线而言，大致方向有两种，不过在这些技术路线上又分出多个分支，但原理不外乎如下这两种：

• 1、磁约束核聚变；
• 2、惯性约束核聚变；

磁约束核聚变是利用一个强大的磁场控制并压缩高温等离子体（经过中性束注入加热、波加热等方式后导入聚变腔室），让等离子体在足够的密度容纳足够长的时间里尽可能多的发生核聚变反应。

这个就是Lawson criterion（劳逊判据或者劳逊准则），它代表了核聚变研究中的品质因数，给出了等离子体（电子）产物的最低要求值密度和“能量限制时间”的比值，这将导致净能量输出比例，因此一台足够成熟的磁约束核聚变装置内，提高温度、增加磁场强度，延长约束时间就成了最关键的指标，因此每当有突破时新闻中基本就这三个数据，其他如何实现，用了什么技术，没人关心，其实大部朋友也听不懂。

磁约束：环形磁场成主流

磁约束的路线中有多个方式来约束这个等离子体，比较常见的有磁镜、环形机两种，不过磁镜技术早已淘汰，目前在搞的是托卡马克和仿星器，两种都是环形，不过托卡马克是标准的环形，而仿星器则像一个被切成两半的圆环再“交叉”的拼接在一起，形成一个 8 字形。

托卡马克和仿星器

两者都是属于环形磁场约束路线，只是仿星器的支持者认为对于约束阶段高温的等离子体湍流时用“扭曲”的磁场更容易控制，而事实上似乎也是，但仿星器存在的问题其体积可能超长超大，在1970年代被取消，但在托卡马克遭遇到困境的二十一世纪又再次被捡回来，目前仿星器比托卡马克要落后两代左右。

托卡马克：ITER的由来

托卡马克是一个标准的环形磁场，ITER（国际热核聚变实验堆）也属于托卡马克。最早是苏联物理学家Igor Tamm和Andrei Sakharov在1950年代搞出来的，由于其在稳定的等离子体平衡上有天然的优势，因此到了1970年代时已经风靡全球（当时有数十个托卡马克装置在运行）。

但托卡马克遭遇了一个问题，小型设备完全无法解决，而大型托卡马克装置各国又无力单独建设，因此ITER（国际热核聚变实验堆）就应运而生了，参与国包括中国、欧盟、印度、日本、俄罗斯、韩国和美国。

实验堆选址法国，于2013年正式开建，最初的预算在60亿欧元，但预计建设和运营的总成本可能高达220亿欧元，总成本可能在450亿美元到650亿美元之间，整体预计在2025年前建成并开始测试。

托卡马克的致命问题

托卡马克解决了等离子体稳定性问题，由于等离子体受热不均匀新会受到磁场的影响而在等离子体中逃逸，造成能量、燃料损失；另外它还会受到垂直位移事件”（VDE）影响导致等离子体出现垂直移动，碰触真空室（反应腔室）的上壁和下壁。

此时不仅会导致等离子体约束状态被破坏，而且还会让千万度甚至上亿度的等离子体触碰托卡马克的内壁，比如法国原子能委员会 (CEA)研究中心建设的Tokamak de Fontenay-aux-Roses (TFR)实验堆中的等离子体失控时直接将内壁烧了个大洞，差点报废！

而且托卡马克实验堆中这类事故概率很高，比例大约在百分之几左右，这个比例简直就要命，不过幸好目前的技术已经能控制到尽量不损坏，或者VDE事件时降低对内壁的破坏程度。

从EAST到CFETR

这是中国科学院等离子体物理研究所在中国安徽省省会合肥市建设的世界第一个全超导磁体托卡马克核聚变反应试验性装置，是国际上稳态磁约束聚变研究的重要实验平台，其研究成果将为未来国际热核聚变实验反应堆(ITER)提供工程技术支持：

• 2006年9月28日，EAST完成第一次放电，这是世界上第一台全超导的非圆截面托卡马克；
• 2008年12月19日，我国研制的ITER 68kA高温超导大电流引线的低温通电实验的电流峰值达到90kA，并持续4分钟时间，创下了高温超导电流引线实验的世界最高记录；
• 2012年，EAST创造了两项世界记录：超过400秒，2000万度的高参数偏滤器等离子体；稳定重复超过30秒的高约束（H模式）等离子体放电；
• 2016年1月28日， EAST成功实现了电子温度超过5千万度、持续时间达102秒的超高温长脉冲等离子体放电，刷新了H模式运行时间的世界纪录。
• 2016年11月2日，EAST成为第一个在约 5000万°C下成功维持H模式等离子体超过一分钟的托卡马克
• 2021年12月30日，实现了1056秒的长脉冲高参数等离子体运行，再次创造了托卡马克实验装置运行的新世界纪录

2017年，中国聚变工程实验堆（CFETR）正式开始工程设计，这是我国下一代超导聚变堆，看起来中国在托卡马克技术上的进展可以到核聚变堆的程度了，这个进度已经走在了全球领先的位置。

另一个核聚变路线就是惯性约束

惯性约束技术原理要比磁约束更容易理解，这个技术是将氘氚燃料制成小球，然后在激光的轰击下达到极端高温的状态从而让其发生聚变，目前在比较有名的是美国的NIF（国家点火装置），这是伦斯·利弗莫尔国家实验室研制的。

NIF在2013年7月份的实验中，192束激光束成功融合成一个单一脉冲，照射在氘氚燃料靶标上产生了1.8兆焦耳的能量和500万亿瓦的峰值功率，在此次实验中反应放出的能量超过了激光的能量，这表示Q已经大于1，不过这远远不够。

我国也有神光系列在涉及惯性约束核聚变技术方向研究，我国在固体激光技术比美国还要先进一些，不过惯性约束的研究投入还是美国来得更大，与磁约束相比，惯性约束的同样困难重重，比如如何让燃料更高比例吸收激光能量等。

不过惯性约束核聚变还有一个难题是如何将聚变的能量引出，但惯性约束有个天然的优势是可以将其作为核聚变推进发动机使用，这要比磁约束核聚变作为推进发动机更简单。

参考：

https://www.scmp.com/news/china/science/article/3192435/chinas-top-weapons-scientist-says-nuclear-fusion-power-6-years