《中国核能行业智库丛书（第二卷）》市场推介圆满完成，这是一本发产业先声的智慧文萃，是行业专家们从不同角度、不同深度对产业前途命运进行思考的思想文库，近期小编将精选部分观点文章与广大读者共享。今天，和您分享的是系列文章之四：我国磁约束核聚变能创新发展之路。

    作者简介

    潘传红，核聚变与等离子体物理学研究员。曾担任过核工业西南物理研究院院长、中国核学会秘书长、中国国际核聚变能源计划执行中心工程总监和国家磁约束核聚变专家委员会副主任等职务。

    文章摘要

    本文概要地介绍了我国磁约束核聚变科研团队和相关工程技术团队，在综合评价我国等离子体物理学研究成果和聚变堆工程技术进展的基础上，并结合我国参加国际热核实验堆（ITER）计划的实践经验，从而凝练的我国磁约束核聚变能发展路线图及各个阶段的具体目标。文中还介绍了中国聚变工程实验堆（CFETR）的相关情况。

    全文赏析

    我国磁约束核聚变能创新发展之路

    受控核聚变研究的主要目标是利用聚变能发电。

    但发生核聚变反应的条件苛刻，第一是提高原子核的动能，只有当原子核的动能足够高（达上亿度温度）时方能克服相互间的库伦排斥力，充分接近进而发生聚变反应，称为“高温度”条件。

    地球上最容易实现的核聚变反应是氘-氚反应，为此首先要将氘氚原子核的核外电子剥离，使其成为含氘氚原子核和电子成分的等离子体，进而向等离子体输入功率以提高氘氚原子核动能，这一过程称为“加热”，这种发生在极高温度条件下的核聚变反应也因此被称为“热核聚变”。

    第二是维持氘氚原子核“高密度”，因为过于稀薄时原子核之间碰撞或发生核反应的机会小。正是因为受控核聚变要通过高温、高密度等离子体实现，所以等离子体物理学成为受控核聚变的基础科学。

    第三要改善能量约束或尽量减小能量损失率，以便将高温高密的核反应条件维持足够长的时间（温度和密度的乘积称为自由能），使核聚变反应得以持续进行，这一条件称为“高能量约束”。半个多世纪以来，人们探索受控核聚变的不懈努力均围绕提高三个参数而展开，并在此过程中形成两种不同的研究途径：磁约束聚变和惯性约束聚变。

    一、等离子体物理学与磁约束聚变堆技术的进展

    国际范围的受控核聚变研究始于上世纪40年代末。美国、前苏联和欧盟等发达经济体总共投入科学家及工程师数千人，年均经费超过10亿美元。

    在此过程中，托克马克装置成为磁约束核聚变研究主流。进入90年代，欧盟JET、美国TFTR和日本JT-60U等国际著名托克马克装置相继获得聚变堆级的等离子体参数，输出16.1MW聚变功率、持续时间4秒和聚变功率增益因子1.25，初步验证了磁约束聚变的科学可行性。

    聚变堆技术方面，美国、欧盟和日本先后开展了较大规模的氘氚燃料循环工艺研究，基本掌握聚变堆氚工厂系统设计的核心技术。美国、欧盟和日本从80年代后期开始，用14年时间成功研制出ITER装置七大关键部件，证明了ITER计划的工程可行性。

    我国受控核聚变研究始于上世纪50年代，形成核工业西南物理研究院和中国科学院等离子体物理所两大专业研究机构，相继建成“环流器”系列铜导体托卡马克和HT-7/EAST超导托卡马克。

    在863计划和“国家重点研发计划”支持下，我国磁约束核聚变装置的实验条件有了极大提高，具备开展前沿物理实验研究的能力，相关研究成果步入世界先进行列。我国在聚变堆部件加工制造、超导托卡马克工程建设以及大科学工程管理等方面，已接近和达到国际先进水平。

    但在燃烧等离子体物理、稳态高功率电流驱动/加热技术、先进等离子体诊断、燃烧等离子体性能预测、聚变堆集成设计、大规模理论与数值模拟等方面，距国际先进水平尚有一定差距。

    由中国、欧盟、美国、俄国、日本、韩国和印度等七方共同出资的国际热核实验堆（ITER）计划，汇集了近50年来全世界磁约束核聚变研究的主要科学和技术成果。

    ITER装置是人类建造的首座聚变堆级的核设施，2025年建成后，除了集成验证稳态燃烧等离子体科学问题和先进托卡马克运行模式外，还将部分验证聚变堆的工程技术问题。

    为了加快核聚变能开发进程，很多国家已经开始制定示范堆(DEMO)发展战略或路线图。我国也已开始编制磁约束核聚变能发展战略和路线图，在ITER计划专项资金之外，国家重点研发计划另外安排资金，开展中国聚变工程实验堆CFETR (China Fusion Engineering Test Reactor)的设计研究和热核聚变堆单项（单元）技术研究，预计到2050年前后，我国将有能力和有条件着手建设中国核聚变原型电厂PFPP（Prototype Fusion Power Plant）。

    二、燃烧等离子体物理和聚变堆技术创新目标

    根据国务院在《关于我国参加ITER计划立项报告》的批复（简称“国务院批复”）中提出的指导意见，以及国务院《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》和科技部《国家磁约束核聚变能发展“十二五”专项规划》提出的目标和思路，我国在燃烧等离子体物理和聚变堆工程技术方面的创新目标为：

    1.实施“重大专项”，从ITER计划中获取最大利益

    随着我国加入ITER计划，国务院于2007年2月批准设立ITER计划专项，派员参加ITER理事会等各级管理机构和技术机构的工作，大力推荐选派管理人员和技术人员赴ITER业务部门任职，抓紧组织我方承担的采购包的工艺预研和加工制造。

    通过全面参与ITER计划的决策管理、工程建设与后续实验研究，消化、吸收、全面掌握ITER的技术知识产权、工程建设经验和科学研究成果。

    同时，解读我国未承担采购包的关键技术为我所用，为我国独立设计和建造中国聚变工程实验堆及未来的示范堆奠定基础。

    2.开展设计和技术研究，适时建设中国聚变工程实验堆

    深入研究ITER设计与工程建设的技术成果，结合我国实际情况和需求，确立中国核聚变工程实验堆（CFETR）的科学目标和实施计划。通力合作、细化分工，开展中国聚变工程实验堆总体设计方案研究、关键技术预研和实验验证工作。在完成概念设计后及时转入工程设计阶段，完成必须的实验验证工作，条件具备时适时投入建设。

    装置建成后围绕热核聚变堆稳态运行和氚自持等重要科学技术问题展开研究，与ITER形成互补。到第二阶段，具备开展100万千瓦级稳态热核聚变堆相关科学技术研究的能力。

    3.加强国际化的能力建设，务实推进我国核能国际合作

    根据“国务院批复”的指导意见，全面部署国内磁约束核聚变能整体发展。充实和完善国内磁约束核聚变装置的实验条件，建设国际一流核聚变实验研究基地，使EAST和HL-2A/2M装置进入国际先进装置行列，成为为ITER提供前期高参数等离子体的实验平台；同时支持高校装置的配套和完善，为培养青年人才提供必要的基础设施；加强人才队伍建设，培养一支高水平的燃烧等离子体前沿物理和技术研究队伍；探索未来建设稳定、高效、安全、实用的热核聚变堆所需要的物理和工程技术基础问题。

    深刻理解ITER科学目标及其所需要的物理和技术基础，并参考美国能源部和欧盟科技署归纳的要点，针对我国拟建的聚变工程实验堆的科学目标，开展稳态燃烧等离子体前沿物理和技术研究：

    ◆开展燃烧等离子体物理研究。燃烧等离子体是“氦粒子自加热占主要份额”条件下的物理问题，是ITER聚变功率增益10倍的物理基础。目前尚无装置可以开展氘-氚聚变条件下的“氦粒子自加热占主要份额”实验研究，但可以开展理论研究和实验验证。

    ◆开展磁流体不稳定性控制研究，发展有效控制磁流体不稳定性的理论和方法。“先进托卡马克位形”是指在大拉长偏滤器高约束条件下的等离子体位形。这种位形稳定运行的前提，是对等离子体破裂、边界局域模等磁流体不稳定性进行有效控制，这也是ITER安全运行的基本保证。

    ◆开展杂质输运的理论和实验研究，探索有效控制杂质和防止高Z杂质“聚芯”的途径和方法。堆条件下氘氚等离子体与材料的相互作用，导致杂质产生和氚在材料中滞留（其中氚滞留和材料除氚属于氚安全包容的研究内容）。来自器壁的高电离态（Z）杂质韧致辐射会引起堆芯能量的大量流失，严重时导致核反应终止。因此，要寻找控制杂质和防止高Z杂质污染芯部等离子体的有效途径。

    ◆发展高效稳态电流驱动、加热、约束和控制技术。主要解决堆条件下需要长时间运行的与稳态燃烧等离子体相关的设备及技术问题，包括：高效稳态电流驱动技术、稳态射频波和粒子束加热技术、堆级大体积高强场磁体技术和燃烧等离子体控制技术等，这是托卡马克型聚变堆稳态发电的最重要的科学技术问题之一。

    ◆发展燃烧等离子体性能预测的理论模型和软件工具，对燃烧等离子体性能进行理论分析和科学预测。基于大型托卡马克理论与数值模拟，发展燃烧等离子体性能预测的理论模型和软件工具，经实验验证后，以便对未来反应堆的等离子体性能进行理论分析和科学预测。

    ◆发展功能强大的软件工具平台，开展聚变堆集成设计研究。聚变堆要演示未来聚变电站的工程可行性和商业可行性，集成设计要对未来聚变电站的发展提供可靠的科学技术基础。

    4.开展堆内关键材料和热核部件研究

    包层、偏滤器以及其它放置于真空室内的部件称为堆内部件，构成这些部件的结构材料和功能材料则称为堆内材料。

    由于强中子辐射与高热通量服役环境，要求堆内材料具有抗中子辐照和耐高热负荷特性，同时也对堆内部件整体功能、服役寿命及其可靠性提出更加苛刻的要求。提前对堆内关键材料和关键部件开展研究、试制和实验验证，可大大降低聚变堆的技术风险。

    ◆开展包层关键材料及包层模块研究。包层有“产氚”和“释能”两大功能，采用模块化设计，是未来聚变堆最重要的核心部件。包层第一壁面向燃烧等离子体,要承受较高的热负荷和中子壁负荷；除了结构材料之外，包层模块内部还布置了功能材料和管路系统，中子在模块中产氚和沉积能量，氚由运载气体带出，沉积能量经传热介质载出。为了提高包层模块整体性能，除了要开展低活化结构材料和氚增殖相关功能材料及其制造工艺研究外，还要开展包层模块原型件的研制与性能试验。

    ◆开展高热负荷材料和面向等离子体部件（PFC）研究。聚变堆条件下，偏滤器靶板的热负荷远超过第一壁，可达20MW/m2以上，是典型的高热负荷部件，也是聚变堆的核心部件之一。针对包层第一壁和偏滤器靶扳的材质要求，开展高热负荷材料及工艺研究，同时开展偏滤器组件原型件的研制与性能试验。

    5.开展氚工厂和氚安全包容相关技术与工艺研究

    氚增殖、自持与氘氚燃料循环技术是聚变堆核心技术之一，也是聚变堆稳态运行的必要条件之一。然而迄今为止，国际上还没有正式开展过“氚自持”可行性验证，还没有专门用于聚变堆的氘氚燃料循环演示平台。

    鉴于氚增殖已列入“包层关键材料及包层模块研究”创新目标中，本创新点主要要围绕“包层提氚”、“排灰气氚回收与氘氚燃料供给”和“氚安全包容”三个方面，开展大规模氢同位素分离技术、排灰气氢同位素快速回收技术、大规模氢同位素快速贮存与供给技术、水中除氚技术、含氚废气净化技术、氚污染部件处理技术等；建立氚循环工艺演示平台，开展氘氚燃料“自持”循环系统设计研究；为氚工厂的工程设计和建造奠定基础。

    三、磁约束核聚变能发展技术路线图

    我国磁约束核聚变能发展战略：以建立近堆芯级稳态等离子体实验平台，消化、吸收、发展和储备聚变工程实验堆关键技术，开展聚变工程实验堆设计研究和关键部件预研为近期目标（截至2020）；以建设、运行聚变工程实验堆，开展稳态、高效、安全的热核聚变堆科学研究为中期目标（2020-2050）；以发展核聚变电厂，探索核聚变商用厂的工程技术可行性、环境可行性和经济可行性为长远目标(2050-2060)。我国磁约束核聚变能发展路线图如下所示：    

    1、近期目标（截至2020）

    先进等离子体物理研究，聚变工程实验堆设计与部件预研。

    建设国际一流磁约束核聚变国家实验室，在EAST装置上开展堆条件下稳态先进托卡马克运行模式的物理和技术研究，在HL-2M装置上开展高功率密度下先进偏滤器实验研究，在J-TEXT等小型装置上开展新方法、新诊断、新技术等基础研究；加强理论和数值模拟研究，提高先进托卡马克运行模式等离子体行为的理解和预测能力。参与ITER工程建设，消化、吸收、掌握关键技术。开展我变工程实验堆的工程设计和部件前期预研。锻炼队伍，培养人才，使我国进入世界核聚变能研究开发先进行列。

    2、中期目标（2020-2050）

    （1）2021-2030：聚变工程实验堆工程建设和“非核”实验研究。

    在EAST装置上开展稳态高约束模实验研究；在HL-2M开展高功率密度下先进偏滤器的实验研究；基本完成大规模理论计算和数值模拟的集成研究并进行实验验证，对燃烧等离子体行为进行分析和科学预测。参加ITER实验研究，全面掌握燃烧等离子体控制、氘氚运行和核安全等方面的知识。建成聚变工程实验堆，开展非核实验研究。发展先进偏滤器、低活化材料与包层、氚工厂、智能遥操作等关键技术和关键部件。

    （2）2031-2040：聚变工程实验堆一期目标聚变堆“工程物理实验验证”。

    全面验证装置主机及其附属系统在长脉冲氘-氚燃烧高约束模条件下的能力和可靠性；实现50MW～200MW稳态聚变功率输出，聚变功率增益因子1～5；针对“稳态燃烧”和“氚自持”两大目标，在聚变工程实验堆上开展实验研究，验证和测试氚工厂、热核部件、智能遥操等系统的各项功能指标，同时探索实现高效、先进示范堆的运行模式。经过8～10年的运行，至“一期目标”后期，开展与ITER 类似的聚变功率增益因子为10的高参数实验研究。该阶段结束，可以形成聚变工程实验堆二期“示范堆验证”的装置升级改造的设计参数、运行标准和安全规范。

    （3）2041-2050：聚变工程实验堆二期目标聚变堆“示范验证”。

    本阶段主要针对示范堆阶段的燃烧等离子体高效、高约束相关的科学和技术问题开展实验研究。实现长时间1000MW以上的稳定聚变功率输出，实现功率增益因子大于10条件下的氘-氚燃烧等离子体先进运行模式的稳定运行和可靠控制，初步验证核聚变能发电的科学和工程技术问题。包括：高热通量和强中子辐照条件下的堆芯等离子体与材料的相互作用，热核部件各项功能的可实现性及服役性能的稳定性，智能遥操作技术可靠性及核聚变能发电等。该阶段结束时，可以形成聚变示范堆的设计参数、运行标准和安全规范。同时探索功率增益因子大于30的核聚变电厂科学技术实现方法，为设计和建设聚变原型电厂打下坚实基础。

    3、长期目标（2050-2060）：核聚变示范原型电厂。

    建造和运行100万千瓦量级电功率的核聚变原型电厂，探索聚变商用电厂的工程技术可行性、环境可行性、经济可行性。进而实现核聚变能商用。

    四、磁约束热核聚变堆关键技术详细描述

    除“换热”和“发电”可借鉴核裂变电厂常规岛技术外，未来商用聚变电厂的其它关键技术还包括：

    1.稳态燃烧等离子体相关技术

    （1）聚变堆大体积高场强磁体技术

    托卡马克型聚变堆拥有复杂的磁场系统，其中环向磁场最强。

    环向磁场由大体积磁体线圈产生，与等离子体电流产生的极向磁场合成为磁力线旋转和磁面结构嵌套的磁场位形，用以约束燃料等离子体。根据设计，我国聚变工程实验堆的环向磁场要求达到7.5T（T为磁感应强度的单位“特斯拉”），而ITER采用的Nb3Sn超导磁体最高只能达到5.3T，因此必须开发更加先进的磁体技术。

    目前，“国家重点研发计划”已经布局开展Nb3Al低温超导线材和“Bi-2212”高温超导线材预研，并取得初步的进展，但短期内形成规模化产能依然面临挑战。

    （2）稳态燃烧等离子体电流驱动与加热技术

    驱动等离子体电流（平衡位形要求）和维持堆芯的核聚变温度（核反应条件），都需要从外面输入功率。

    ITER的电流驱动和加热总功率高达130兆瓦，我国聚变工程实验堆的输入功率则更高。针对聚变工程实验堆高参数运行阶段的研究目标，我们需要发展230GHz微波加热技术、8.2GHz电流驱动技术以及1MV稳态负离子源中性束加热技术。这些技术目前国际上的研究基础非常薄弱，我国则基本没有积累，需要尽快开展这些技术的预研工作。

    2.堆内关键材料与关键热核部件技术

    （1）氚增殖相关的功能材料技术

    氚增殖相关的功能材料包括氚增殖剂、中子倍增和阻氚涂层材料。

    氚增殖剂，锂核与中子发生核反应生成氚，称为氚增殖剂。固态氚增殖包层将硅酸锂、钛酸锂等含锂陶瓷小球组装成“锂陶瓷球床”作为氚增殖剂；而液态氚增殖包层则将金属锂和铅组合成“液态金属共晶体锂-铅”，其中锂为氚增殖剂。中子倍增剂，由于聚变堆中子相对缺少，通常要利用铍和铅的（n，2n）反应来放大中子数量，称为中子倍增剂。固态氚增殖包层将金属铍珠组装成“铍球床”作为中子倍增剂，“液态金属共晶体锂-铅”中的铅即为液态中子倍增剂。阻氚涂层材料，首选Al2O3涂层，但由于铝的中子反应截面较大，不适用于中子环境。我国氚增殖功能材料技术处于国际一流水平。

    （2）低活化结构材料与包层技术

    包层低活化结构材料包括低活化铁素体/马氏体钢、氧化物弥散增强型-铁素体/马氏体钢和钒合金等，由于高温环境下钒对氚的包容性能差，包层结构材料首选低活化铁素体/马氏体钢。

    我国已经掌握铁素体/马氏体钢的工业规模生产能力，但是铁素体/马氏体钢的中子辐照数据远未达到聚变工程实验堆要求的50 dpa（dpa为中子辐照损伤单位）。包层模块的结构件和管道材质为低活化铁素体/马氏体钢，在模块内部布置中子倍增剂和氚增殖剂，80%的聚变功率在包层中转化，燃耗的氚在包层中增殖。因此，包层结构材料及功能材料的性能、内部布局和加工制造工艺等，都会影响包层的“产氚”和“释能”效率。ITER提供了一个真实的磁约束聚变堆环境验证氚增殖，ITER“氚增殖实验包层”项目将验证氚增殖和氚在线提取。

    （3）面向等离子体材料与高热负荷部件技术

    包层第一壁和偏滤器靶板用材因直接面对等离子体，称为面向等离子体材料。

    面向等离子体材料有钨（高电荷）和铍（低电荷）两种选择，目前核聚变界首选钨或钨基合金。偏滤器靶板上热负荷远高于第一壁（超过20MW/m2），称为高热负荷部件，其主要技术难点是抗烧蚀和快速移走热量，同时要求靶板上的热负荷尽量均匀分布（热负荷不均匀将导致靶板局部深度烧蚀，从而影响偏滤器整体服役寿命）。目前国际上尚未研制出满足示范堆要求的偏滤器，还需要开展先进偏滤器概念研究、偏滤器优化设计研究和偏滤器关键技术预研，最终研制出适合我国聚变工程实验堆的偏滤器原型件。

    3.氚工厂技术

    氚工厂有“包层提氚”和“排灰气体燃料回收”两大功能，涉及复杂的技术和工艺流程，由于技术敏感性，无法通过国际合作获得相关经验和知识。

    （1）包层提氚技术

    包层提氚流程为：以氦气作为“吹洗气体”，令其对包层氚增殖区域进行吹洗，并将增殖的氚“运载”至氚工厂，然后在氚工厂内对氚进行分离纯化处理。整个流程涉及吹洗气体（也称为运载气体）的“流场”优化设计、沿途管线容器“防氚渗透”和氚分离纯化等关键技术和工艺。有别于“排灰气体中燃料回收-贮存-再供给”循环过程，“包层增殖氚-提氚-补充燃耗”的过程称为氚燃料外循环。在包层“氚增殖率”确定的情况下，提氚效率和速率是维持氚自持的关键。

    （2）排灰气体中燃料快速回收与供给技术

    规模化处理排灰气体，实现快速高效的燃料回收、贮存和再供给，既是氚工厂的功能之一，也是实现聚变堆“氚高效循环”的关键，国内尚未进行规模化排灰气体燃料回收、贮存与供给方面的台架试验。因此急需开展氚提取与回收、氚纯化与分离、氚储存与运输、氚在线测量与计量分析、氚包容与排放控制等关键氚工程技术攻关及关键装备研制，突破规模化氚循环回收与分离的技术瓶颈，发展含氚水除氚处理的关键技术，解决堆量级氚燃料储备或供应的技术问题。开展聚变堆氚工厂设计、建设、运行等关键技术的工程化验证，为聚变堆氚工厂的工程设计奠定坚实基础。

    4.氚安全包容技术

    未来聚变堆年用氚量达百公斤量级，使得氚安全包容与防护问题凸显。氚与材料的相容性、氚安全包容的有效性、氚包容失效对环境的影响等，是进行聚变堆设计时就必须考虑的问题。

    氚安全包容不仅仅针对氚工厂，凡与氚接触的其它物理界面都属于防护之列，这是聚变堆氚安全包容的难点，即需要全域全流程地进行氚安全包容和氚排量控制。为此，ITER规定了年排氚量0.4g（0.6g）的排放限值，根据辐射防护ALARA（合理、可行、尽量低）原则，即使采用0.6g的高限值，我国目前技术水平也难以达到，因此要开展深入的研究工作。

    五、瓶颈及颠覆性技术

    通过成功设计、建造和运行EAST和HL-2A/2M装置，我国磁约束核聚变研究部分领域已进入国际前沿。通过实施ITER计划重大专项和“国家重点研发计划”，我国在提升核聚变装置实验能力、掌握ITER技术、开发聚变堆关键材料、发展聚变堆单项（单元）技术和研制堆级部件等方面，已经取得重要进展。综合评价建设和运行“中国聚变工程实验”所需要的科学和工程技术基础，结合已有的技术储备，虽然实现聚变工程实验堆的科学目标不存在明显的颠覆性技术难题，但仍需要对下列瓶颈技术进行攻关并尽快予以解决：

    稳态燃烧等离子体电流驱动与加热技术，含230GHz微波加热技术、8.2GHz电流驱动技术以及1MV稳态负离子源中性束加热技术，这几项技术国内基础薄弱，需要工业部门参与进行协同攻关；

    氚增殖功能材料/低活化结构材料与热核包层技术，含氚增殖功能材料和低活化结构材料的规模化制备、性能评价与优化、包层模块结构优化设计、模块原型件预研及性能评价，是聚变堆实现“核能转化”和“氚自持”的关键部件；

    面对等离子体材料与偏滤器技术，含钨及钨基合金的材质优选和加工工艺摸索，偏滤器组件预研及性能评价；

    涉氚技术，由于国内基础薄弱，需要针对氚工厂和氚安全包容两方面的需求，开展“包层提氚”、“排灰气体中燃料快速回收”、“燃料贮存”、“燃料供给”、“全域全流程氚包容与氚排量控制”等项内容的研究，包括相关的工艺研究、实验台架建设与试验。(本文刊载结束)