科学通报|磁约束核聚变能

核工业西南物理研究院刘永等人在《科学通报》发表观点文章，力图给出一个关于磁约束核聚变实际现状的描述和对未来发展的展望。

当前，能源安全、环境和气候变化等问题成为21世纪面临的最严峻挑战。核聚变能具有资源丰富、环境友好、固有安全等突出优势，是目前认识到的解决人类社会能源与环境问题的根本途径之一。因此，像核聚变能这样的新能源的研发一直为公众和行业所关注。特别是，美国国家点火装置（National Ignition Facility, NIF）在2022年12月的实验中实现了能量增益达到1.53倍，使得核聚变能研发受到进一步的关注。NIF本次实验用322 MJ的电能产生了2.05 MJ的激光能量，该激光能量注入聚变腔体后获得了3.15 MJ的聚变能量，首次实现了聚变能大于激光输出能量，取得了激光驱动的惯性约束聚变能源研发在物理及工程技术方面的进展，但仅从能量的盈亏来看，NIF距聚变能的工程应用还有漫长的路要走。

在国际上，主要发达国家都布局了惯性约束聚变和磁约束聚变这两条技术途径的研发，如美、日、俄等，我国也是如此。在惯性约束聚变研究方面，我国建设运行了自主的“神光”系列惯性约束装置。2015年建成的 “神光-Ⅲ” 主机装置，是当时世界上投入运行的第二大激光驱动器，也是亚洲最大的高功率激光装置。目前，“神光-Ⅲ”是继美国NIF、法国兆焦耳激光装置之后第三大激光驱动器（48路激光，峰值功率60 TW），输出能力仅次于NIF，排名世界第二。我国惯性约束聚变研究的规模和水平也位列国际第一梯队。

惯性约束自身的技术特点决定了其主要用于核武器相关研究，磁约束核聚变仍是最有可能率先实现聚变能源利用的方式。鉴于此，美国等西方国家均高度重视磁约束核聚变发展，大都将核聚变能应用锁定在2045年前后。主要的技术路线是围绕本国建造聚变示范堆的目标，通过国际热核聚变实验堆（International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER，图1）计划获得实验堆设计、建造经验，利用参与ITER运行以及本国的大型托卡马克装置获得燃烧等离子体物理、控制和运行经验，同时围绕在ITER合作中不能解决的关键技术开展攻关。

图1 ITER结构示意图

此外，近年来商业资本也加速涌入聚变领域。截至2022年7月底，全球共成立了超过30家民营商业核聚变公司(https://www.fusionindustryassociation.org/about/members/)，其中多数将实现核聚变商业应用目标锁定在2030~2035年前后，其技术线路也呈现多元化特点，非常分散。在30家民营核聚变中，除磁约束和惯性约束外，还有磁惯性约束聚变等，其技术线路就达21种之多。从燃料形式看，除了氘氚聚变外，还有氢硼聚变 、氘氦3聚变 等。总体来说，应该充分肯定民营资本进入核聚变领域的积极意义，多种技术路线加速探索，必将能促进聚变能应用的研发。但其中也不乏风投性的资本运作，其所声称的目标实际上是很难达成的。例如，近期美国核聚变初创公司Helion Energy与微软签署全球首份聚变购电协议(https://my.mbd.baidu.com/r/11EkdcarY2c?f=cp&u=b2d605745bf7f291)，计划2028年向微软提供50000 kW的聚变能电力。该公司采用的是氘氦3聚变，尽管该方案的反应中无中子产生，也无氚的消耗，但需要的等离子体温度要比氘氚聚变高出若干倍，目前看来，这在短时间内是不可能达到的。2022年3月，美国政府召开白宫峰会，要求政、企、研等多领域加强合作，力图加速推进实现核聚变能商业化应用。可以说，近期聚变能研发相关领域受到广泛关注。另一方面，也有不少混乱或矛盾的信息令人困惑。

我国的磁约束核聚变研究历程与进展

我国的磁约束受控核聚变研究经过了60多年的发展，形成了以专业院所（核工业西南物理研究院和中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所）为主，多家高校和研究单位共同参与的核聚变技术开发格局。目前，我国运行中的磁约束聚变大科学装置主要有HL-2A 、 EAST装置 和 新一代“人造太阳”（HL-2M）装置。

HL-2A是我国第一个具有偏滤器位形的托卡马克，在2003年就实现了国内首个偏滤器位形放电。在该装置上，发展了国际上原创的具有自主知识产权的超声分子束粒子注入技术，该技术已被国际上多个磁约束聚变装置用于加料及物理研究。近年来，在HL-2A上实现归一化环向比压超过3的先进运行模式。

EAST是国际上首个全超导托卡马克装置，在2006年成功实现了首次运行，多年来在长脉冲运行方面取得了一系列重要研究进展，在长脉冲高品质等离子体约束研究方面居于世界先进水平，2021年12月实现了1056 s长脉冲运行。2020年创造了102 s高约束H模放电的世界纪录, 2023年4月又刷新了这一纪录，实现了高约束H模放电时间超过400 s（ http://www.xinhuanet.com/tech/20230413/1f74a605f72e458790b164526b381a4a/c.html ）。

中国环流器二号M（HL-2M）装置（现已正式命名为中国环流三号即HL-3）是我国目前设计参数最高、规模最大的新一代“人造太阳”装置，于2020年建成并实现了首次等离子体放电。2022年HL-2M装置实现等离子体电流突破1.15 MA，这是我国核聚变装置运行的新纪录。该装置设计的最大等离子体电流可达3 MA，归一化比压βN 可超过3，等离子体离子温度可达1.5亿°C，聚变三乘积可达1021（m-3·keV·s）量级(接近聚变“点火条件”)，是我国目前具备堆芯级燃烧等离子体运行能力的科研平台。

以上述聚变装置的建设和运行的需求为牵引，相关单位全面地推进了各项聚变关键技术的研发，如聚变等离子体加热技术，包括中性束加热技术和射频波加热技术、等离子体诊断技术、超导强磁场技术、等离子体运行与控制技术等。以掌握聚变堆的建造能力为目标，我国也布局了聚变材料研发、氚自持相关技术、聚变堆总体设计等ITER未完全覆盖技术的研发，并取得了令人注目的进展，为进一步解决聚变堆面临的挑战问题并最终实现聚变能的应用打下了基础。

核聚变能研发仍面临的主要挑战

对于建造聚变示范电站进而实现聚变能的应用，我国与国际上主要国家面临几乎同样的技术挑战，目前公认的主要有三大技术挑战，即以燃烧等离子体为核心的物理上的挑战，以抗中子辐照为核心的聚变堆用材料方面的挑战和以产氚包层为核心的氚自持技术的挑战。

除了上述三大挑战外，要建设发电的聚变堆，还有许多其他的困难仍需要克服，例如，现在国际上还没有适用于聚变堆的相关安全法规和准则体系，而这类体系建设需要很长的时间积累和迭代等。

展望

目前国内业界大多数人认可的我国聚变能研发的路线图如图2所示，即在2045年前后实现聚变演示发电，2055年前后实现聚变电站投运。今天看来，也许这个进度略显冒进，似乎一切均是按最乐观的进展预估而设定的。不过任何一个探索性的重大科技工程都会有其不确定性，这也许正是科学技术发展的魅力所在。从总体上说，这个目标经过努力是可能实现的。一方面，这个进度与大多数国家的规划进度有着较好的一致性；另一方面，随着ITER目标的实现和国内相关研究设施的投运，为这个目标的实现奠定了比较可靠的基础。也许抗辐照材料仍是最大的变数，但在今后的20年里还是完全有望取得突破。随着国家对能源结构转型的迫切需求和对聚变研究支持力度的加大，以及国内外包括装备制造、新型材料、人工智能等在内的科技进步对聚变的加持，再经过各方努力，聚变能服务于人类的梦想一定能早日实现。

图2 我国聚变能研发路线简图

刘永*, 李强, 陈伟. 磁约束核聚变能研究进展、挑战与展望.科学通报, 2024, 69(3): 346 – 355

作者简介

刘永

核工业西南物理研究院科技委主任，中核集团科技委常委、战略咨询委委员，中国核学会核聚变与等离子体物理分会理事长。曾先后主持参与中国环流器新一号（HL-1M）、中国环流器二号A（HL-2A）、中国环流器二号M（HL-2M）的建设和研究工作。

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