聚变研究发展专题报告

核聚变发展情况

核聚变反应堆是一项综合了多学科和技术领域的大型工程。核聚变的发展也不像核裂变一样从军事用途转变为可控能源用途仅花了几年时间，而是从20实际50年代初，各国就开始研究，但是直至今日，也还未有一项能够稳定持续提供聚变能的装置诞生，可以想象，核聚变的发展是具有重重难关的。

早期，美国在Livermore进行Magnetic mirror(磁镜)研究，在Los Alamos进行$\theta -pinch$(环形箍缩)研究，在Princeton进行Stdtarator(仿星器)研究，也就是著名的“Sherwood Project”（希伍德计划）；英国的哈威尔核研究中心则从事Z-pinch的研究；苏联在库尔恰托夫和阿尔奇摩维奇领导下进行Z—pinch和Tokamak(有极放电和无极环形放电)的研究。在这些早期的研究中，各个国家由于意识形态的原因，都是在极其保密的情况下进行的。

但是，在经过几年的研究发现，可控热核反应并不想裂变堆一样那么成功的研制，于是在1958年的日内瓦召开的国际第二届和平利用原子能会议上公开了所有研究成果，并在此之后，聚变研究成为一个国际合作的主题。

又经过几十年的发展，托卡马克类型的磁约束聚变装置上取得了突破性进展：日本最大的托卡马克JT-60U上表征聚变反应率的最重要参数，温度×密度×能量约束时间(即聚变三重积)已达到$1.5 \times 10^{21}KeV \cdot m^{-3} \cdot s$，这一参数比20年前以提高了10000倍，距离聚变堆的理论要求仅差20倍，且聚变输出功率与输入功率的比值Q已经超过1，达到1.25！

美、苏、欧、日四方1987 年开始ITER的设计，1990年完成ITER概念设计，1998年完成了工程设计及部分技术预研。当时的聚变功率设计值为1000MW，等离子体持续燃烧时间大于1000s，估计造价为100亿美元。由于美国国内聚变政策调整并基于对技术和经济风险的考虑，美国于1998年退出ITER计划。随后，ITER《工程设计最终报告》于2001年7月完成。2006年11月21日，参与ITER计划的7方(欧盟、俄罗斯、中国、印度、美国、韩国、日本)签署了《联合实施国际热核聚变实验堆计划建立国际聚变能组织的协定》和《联合实施国际热核聚变实验堆计划国际聚变能组织特权和豁免协定》，ITER计划正式实施。今年7月28日，国际热核聚变实验堆（ITER）计划重大工程安装启动仪式7月28日在法国该组织总部举行。

各国核聚变研究特点

从受控核聚变技术领域专利申请数量上来看，美国、日本、俄罗斯、德国、欧盟、法国、中国、韩国是世界上研究核聚变的主要国家和地区。下面分别介绍各个国家聚变研究的特点及主要研究领域。

美国

美国是最早进行受控核聚变研究的国家，早在二战后的保密时期，就研制了仿星器装置并进行了一系列有意义的实验，但是受1979年三里岛事件的影响，美国核反应研究一度低靡，直至20世纪初期，由于能源危机以及美国重返ITER合作等原因，美国的研究再次增长。

位于新泽西州劳伦斯维尔等离子体物理公司(LPPFusion)的研究团队在2016年取得了里程碑式的成功，实现了28亿度的离子温度，是大型聚变试验设施ITER最高纪录的15倍多。而今，LPPFusion已在此基础上提高了高密度等离子体聚焦(DPF)性能，并接近于为净能源发电创造足够的条件，有望率先通过高密度等离子体聚焦向核聚变过渡，为聚变技术的快速应用和经济可行性打开大门。不同于以氘氚为燃料的惯性约束和磁约束等传统聚变技术路线，LPPFusion的高密度等离子体聚焦聚变燃料为氢硼，其具有机组规模小、投资成本低、燃料更加便宜、安全性更高等优势。据估计，DPF技术有望将聚变发电成本降低10倍甚至更多。

美国的聚变反应研究特点是在于小而精，从专利申请的表现上看也是如此，美国申请的专利在数量上并不占太多优势，但是在引用量在前500的数量来看，美国的数量是领先的。

日本

日本在热核反应研究已经发展五十多年，取得了很多可喜可贺的成果。由于其自身地缘政治的影响以及国内能源资料的短缺，日本是对受控核聚变研究投人最大的国家，同时专利申请量也雄踞世界各国之首。2003年，日本文部科学省组织的一个研究组向日本政府提交了一份名为《国内聚变研究的未来发展方向》的报告， 鼓励加强相亙合作的聚变研究， 为ITER做好了准备工作，JT-60托克马克和国际聚变材料辐照装置（IFMIF）被列为重点发展项目，直接用于支撑ITER项目。此外，大型螺旋装置项目（LHD）和快点火实证项目（HREX）用于聚变反应堆的高级概念。

日本的受控核聚变反应研究非常全面并且先进，从日本申请的专利来看，在聚变反应堆、聚变合金材料、等离子体技术、金属钎焊技术、金属材料覆镀技术等都有比较深刻的研究，基本设计热核反应的各个方面，其中在包层/第一壁材料、氚燃料技术在国际上处于领先地位。

俄罗斯

俄罗斯是最早进行受控核聚变研究的国家之一，也是聚变国际合作的最早倡导者和ITER计划的倡导者，ITER所采取的托克马克构型就是俄罗斯发明的。俄罗斯早在1968年的第三届国际热核聚变反应堆大会上就公开宣布了T-3托卡马克的等离子体参数，掀起了世界热核反应研究的热潮。

2016年11月14日，俄罗斯圣彼得堡理工大学的物理学家提出的一种方法可提升托卡马克装置的性能．圣彼得堡的科学家已经对“不粘模式”进行了评估，认为这种方法可能会提高反应堆耐磨损和耐撕裂的能力。

俄罗斯在热核研究的等离子体技术方向有着颇深的研究，俄罗斯是最早重视聚变等离子体的基础研究的国家，拥有一大批高水平的等离子体科学家。

德国

德国具有目前世界上最大的仿星器装置——Wendelstein 7-X（简称7-X）。

德国的热核研究在20世纪70年代末开始下降，在80年代末有所提升，然后一直在一个较低水平的震荡，但是在技术方面德国研究比较全面。

欧盟

欧盟是ITER研究的东道主，承担ITER总投资40%的经费。

法国

法国是ITER项目的东道国，ITER地址选在法国南部的卡迪拉奇。法国是欧洲的主要研究力量之一，其国内的受控核聚变研究主要由法国原乎能研究机构（CEA）主导，是ITER的主要设计者之一。

中国

中国聚变研究工作相比于国际其他国家起步较晚，在刚开始处于跟跑阶段，通过研究者不断努力，现聚变研究大部分能够与国际并跑。中国积极参与国际聚变合作项目——ITER，这也是目前中国在国际合作中最大的一个工程项目，并在其中承担重要作用。未来我们要独立自主的建设我们自己的聚变工程实验堆-Chinese Fusion engineering Testing reactor（CFETR）。CFTER 基于目前国际托卡马克研究和ITER 的基础，一期主要目标是实现稳态运行和氚自持，实现大于200MW、聚变功率增益Q 为5 的长脉冲燃烧等离子体物理； 二期主要是针对未来聚变示范堆燃烧等离子体的高效、高约束、高Q 的科学问题进行实验研究，全面调试装置主机和所有系统在D-T 燃烧等离子体（Q>10）长脉冲H 模条件下的性能和可靠性，全面验证氚工厂、包层、智能遥操系统的功能，实现稳定长脉冲1000MW 聚变功率产生，为纯聚变电站的设计建设打下坚实基础。

韩国

韩国是核技术颌域的后起之秀， 其核裂变反应堆的技术创造了400亿美元的出口订单。韩国在核聚变领域的研究起步较晚，20世纪80年代才开始研究，2005年之后研究开始颇有起色，主要原因是2003年开始参加ITER项目谈判。韩国的主要聚变研究机构是韩国基础科学研究所和韩国原子能研究所。先后建造了SNUT-79，KAIST，KT-1，HANBIT等托卡马克装置。

现主流聚变装置

ITER

国际热核聚变实验反应堆是国际核聚变研究和巨型工程，将成为世界上最大的磁约束等离子体物理学实验，这是目前正在建设世界上最大的实验性托卡马克核聚变反应堆，邻近于法国南部的卡达拉舍设施。ITER工程的目标是从等离子体物理实验研究，到大规模电力生产的核聚变发电厂的期待已久的转变。

ITER计划中建设的规格：等离子体大半径：$6.2m$；等离子体小半径：$2.0m$；等离子体容量：$840m^3$；等离子体电流：$15.0MA$；轴向环形磁场强度：$5.3T$；聚变功率：$500MW$；等离子体维持时间：$>400s$；能量倍增因数（Q值）：$>10$。

EAST

先进实验超导托卡马克实验装置原名HT－7U，又被称为“人造太阳”、东方超环，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，属于中国国家“九五”重大科学工程。终极目标为1亿度与1000秒。

先进实验超导托卡马克(EAST)实验装置主要参数：环向场磁感应强度：$3.5T$；等离子电流：$1.0MA$；离子回旋共振加热：$12MW$；低杂波电流驱动：$10MW$；电子回旋共振加热：$2 \approx 4MW$；中性流注入：$4 \approx 8MW$；脉冲长度：$1 \approx 1000s$。

Wendelstein 7-X

文德尔施泰因7-X是德国马克斯·普朗克等离子体物理学研究所（IPP）在德国北部城市格赖夫斯瓦尔德建造的一台实验性仿星器受控核聚变装置。其建造目的是为了测试运用仿星器技术实现核聚变的可能性，尽管其本身还并未达到实用阶段。该项目与欧洲、美国、日本的诸多研究所均有合作。

该装置首次等离子体操作与2015年底开始，达到放电时间6秒，$4MJ$能量注入，功率水平达到$4MW$，中心温度达到$7keV$，离子温度刚好高于$2keV$。

JT-60SA

JT-60SA是一项聚变实验，旨在支持ITER的运行并研究如何最佳地优化ITER之后建造的聚变电站的运行。这是一个涉及日本和欧洲的联合国际研发项目，将使用现有JT-60升级实验的基础设施在日本中那建成。SA代表“超高级”，因为该实验将使用超导线圈并研究等离子体操作的高级模式。

JT-60SA主要参数：等离子体电流：$5.5MA$；持续脉冲时间：$100s$。

总结

受控聚变反应是人类解决能源问题的一大关键，一旦受控热核反应研制成功，人类的能源储备将至少能够生存百亿年。从核反应理论提出不久后，各国科学研究人员便开始研究如何安全稳定实现热核反应，但是主要由于其困难重重，加之受到国际上其他问题的困扰，至今还没有一个能够稳定运行的聚变反应堆。

虽然在聚变研究的道路上困难重重，但是各国还是有许多科研人员从事这项研究，从20世纪50年代至今六七十年中，也取得了不少阶段性成果。虽然主要的目标还未实现，但是通过研究热核反应，从而催生出其他技术的成果，已经开始造福人类了，例如研究初期，科研人员为了高效传递信息，欧洲原子能机构的科研工作者发明了HTML来交流信息，现如今这一技术已经离不开我们的日常生活了。

在聚变装置上，各国国家通力合作，也建设了许多大型装置，其中最著名的就是ITER项目中的装置，汇聚了多国科研技术与研究成果。相信在不久的将来，ITER建成之后，能够为人类带来突破性的进展。