核聚变发电的研究现状与发展趋势

□张 微 杜 广 徐国飞

核能已日益成为当今世界的主要能源，其中核裂变技术已经成熟，并被广泛用于核能发电。核能所占的比例也越来越大。在法国核能占比约76%，在美国核能占比约30%。根据中国核能行业协会统计数据，2017年上半年，我国核能发电量占比约3.90%。根据“十三五”规划，到2030年，我国核能发电量占比会达到约10%左右。但是中国铀矿资源禀赋不佳，国内产量难以满足如此大规模的核电发展需求，从而使得中国铀矿资源对外依存度逐渐攀升。然而全球铀矿资源趋于垄断，严重影响我国铀矿资源的市场安全。因此，不依赖铀矿的核聚变能源优势日渐明显，未来核聚变的发展有可能会成为世界能源的重要组成部分。

一、核聚变能的优点

核聚变是指将两个较轻的核结合而形成一个较重的核和一个极轻的核(或粒子)的一种核反应。两个较轻的核在融合过程中产生质量亏损而释放出巨大的能量。核聚变的最佳燃料是氘与氚，其原料可直接取自海水，来源几乎取之不尽。以100万千瓦的电站一年所需燃料比较，如图1所示。传统的燃煤电厂需要大约200万吨煤，燃油电厂需要约130万吨燃油。核裂变电厂需要约30吨UO2，大约一个火车皮。而核聚变燃料氘的消耗大概0.6吨，大约等同于一辆皮卡的容量。由于资源“无限”，无二氧化碳排放，完全无放射性或无长寿命放射性废物排放，因此相对于化石能源和裂变核能，核聚变能是人类未来更理想的新能源。

图1 100万千瓦电站的燃料消耗比例

二、核聚变发电存在的困难

核裂变能在1945年第一颗原子弹研制成功，仅仅6年后的1951年就实现了核裂变的首次发电，到1954年建成首座核裂变电站以及1960年以后大规模商用，核裂变发电在不到二十年的时间经历了从几十到几百万千瓦的迅猛发展。核聚变自1952年第一颗氢弹研制成功后，之后的大概40年左右世界各国都成立了等离子体物理研究所进行等离子体物理基础研究以及近20年来核聚变装置的大力发展，但是迄今为止核聚变发电仍然没有实现，存在许多科学和工程上的困难，核聚变发电技术的难度可见一斑。

实现聚变反应必须将聚变燃料加热至极高温度并予以有效约束。核聚变通常由三种方式来产生，分别是引力约束、惯性约束和磁约束。太阳就是典型的引力约束聚变，在太阳中心的高温高压条件下，氢原子核聚变成氦原子核，并放出大量能量，犹如一个巨大的核聚变反应装置。氢弹是一种惯性约束聚变，氢弹是一种人工实现的、不可控制的热核反应。

基于20世纪60年代到90年代世界各国的等离子体物理研究，目前核聚变能的基础研究已经取得了长足进步，并且已经获得了最高温度达2～4亿度的聚变燃烧等离子体。核聚变能的开发和研究在磁约束托克马克装置上取得了重大进展，发现了一批重要的实验定标率，而且磁约束聚变已接近“点火”(自持燃烧)的目标。

三、核聚变装置的发展历程

(一)国外磁约束核聚变的发展。

1.托克马克聚变试验反应堆TFTR(Tokamak Fusion Test Reactor)。TFTR是1980年在普林斯顿等离子体物理实验室建造并于1982年投入使用的实验托卡马克。它是世界上第一个尝试50比50氘氚燃料的托克马克装置，并于1994年发现10MW的聚变输出功率。TFTR的设计明确目标还包括达到科学盈亏平衡，即等离子体中的聚变反应释放的热量是等于或大于由外部装置提供给等离子体的加热，以使其加热。尽管TFTR未能实现这一目标，但确实在限制时间和能量密度方面取得了重大进展。

2.欧洲联合环状反应堆JET(Joint European Torus)。JET是世界上已建成的最大常规托卡马克装置之一。JET项目位于英国牛津卡勒姆聚变中心，项目开始于20世纪80年代，并于1991年开始氘氚实验反应，成为世界上第一个成功运行50比50氘氚燃料的核聚变装置。在1997年，JET实现了约16MW的最高聚变输出功率，其功率放大因子Q接近1以及Q值为0.2长脉冲平衡，如图2所示。虽然JET项目没有突破Q值大于1的目标，但是确开辟了未来磁约束核聚变的道路，为托克马克装置的核聚变指明了方向。

图2 TFTR和JET功率分布曲线

3.国际热核聚变实验反应堆ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)。ITER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。该组织成立于2007年，由七个成员实体资助和运行，欧盟、印度、日本、中国、俄罗斯、韩国和美国。该项目预期将持续30年，其中10年用于建设，20年用于运行，耗资超过百亿美元。ITER是各国建设实用聚变堆前最重要的共担风险的堆工程技术和堆物理技术的集成发展研究，为了建造未来具有实用意义的聚变堆奠定基础。

图3 ITER托克马克装置

ITER的科学目标是聚变功率放大因子Q达到5～10，聚变功率为400～700MW，一次放电聚变燃烧维持时间400～3,000秒。ITER托克马克装置高约28米，半径约29米，总重约2.4万吨。ITER等离子体中心温度将达到1亿～2亿度，如此高的温度是太阳中心温度的10倍左右，这些高温等离子体的产生依靠超导磁体系统产生并维持兆安量级的等离子体电流。ITER真空室重达8,000吨，是保证堆芯无杂质的关键组件，也是辐射防护的第一道屏障。

目前ITER场地、厂房和各部件加工正在顺利进行，已陆续运抵现场，总装工作已经开始招标。ITER装配大厅目前已经建造完成，大厅上方装配2台750吨的吊装设备，用于完成托克马克装置的装配。预计2025年建成并第一次放电，预计2035年前后开始氘氚运行，并逐步实现Q≥10，聚变功率400～700MW以及400～3,000秒的长脉冲放电。

(二)我国磁约束核聚变的发展。

1.中国“东方超环”EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)。EAST是由中科院等离子体物理研究所在1998～2006年研制的世界上首个全超导托克马克装置。等离子体物理研究所当时面临着国际上无建造全超导托克马克的经验，无稳态控制及安全运行的技术参考和无快速变化超导磁体技术。他们克服重重困难，独立完成物理和工程设计，自主研发了所有的关键部件，于2006年1月完成了EAST主机总装。同年9月成功获得等离子体，并在之后的运行中取得了一系列震惊中外的成果，其中最显著的就是大于400秒的长脉冲等离子体运行，而实际上其他托克马克等离子体只能维持几秒。EAST作出的这些国际一流的成果，对未来ITER科学实验有重要意义。

图4 EAST托克马克装置

图5 EAST400秒稳态功率曲线

2.中国环流器一号HL-1。HL-1是由核工业西南物理研究院于1984～1992年研制的，其独创的超声分子束注入加料技术以及首次实现的H-mode等离子体，为我国核聚变的研究和开发作出了重要贡献。2002年成功研制的HL-2A装置是我国第一个具有先进偏滤器位形的非圆截面的托卡马克核聚变实验研究装置，其主要目标是开展高参数等离子体条件下的改善约束实验，并利用其独特的大体积封闭偏滤器结构，开展核聚变领域许多前沿物理课题以及相关工程技术的研究，为我国下一步聚变堆研究与发展提供技术基础。

四、中国核聚变发电的展望

根据国家“十三五”科学和技术发展规划，加速开展我国聚变能发展研究，完成国际热核聚变实验堆装置建设中我国承担的国际热核聚变实验堆采购包的设计、认证以及制造技术研发，全面消化吸收国际热核聚变实验堆总体设计以及相关技术，开展我国未来磁约束聚变堆的总体设计研究，加快人才培养，建设我国核聚变能研究创新体系。

中国核聚变发电的发展路线应该是明确的即：全超导托克马克。为了开展我国磁约束聚变堆总体设计研究，中国聚变工程试验堆CFETR(China Fusion Engineering Test Reactor)项目应运而生，它是聚变堆发电从实验堆过渡到原型电站不可或缺的工程堆。CFETR目前已经完成了总体设计并开始了工程设计，计划于2030年建成，一期目标是Q=1～5，聚变功率为200MW，稳态运行。二期目标是Q>10，巨变功率为1GW，稳态运行。

图6 未来聚变电站

CFETR面临的挑战是巨大的，如何保证聚变燃料的稳态燃烧？如何进一步通过包层实现氚的增殖和自持？笔者认为随着ITER项目的建成和实验验证以及我国聚变技术的发展，未来核聚变的发展前途是光明的。从现在起，利用30～50年时间，通过参加和支持ITER项目，通过中国聚变路线图的实施和CFETR的设计、预研和建造，将为我国开发核聚变能的跨越式发展，为最终实现核聚变能的实际应用作出重要贡献。