我所认识的核电（5）——人类核能利用的终极目标——受控核聚变之一

作者：别叫姜总叫姜工——老气横秋技术男​第五部分：人类核能利用的终极目标——受控核聚变5.1受控核聚变简述

受控核聚变是我国核能发展“三步走（压水堆—快堆—聚变堆）”战略的最后一步，也是目前全人类核能利用的终极目标。

核聚变是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核，并释放出能量的过程。早在1933年，核聚变的原理就被提出，5年后核裂变才被发现。1939年，美国物理学家贝特通过实验证实，把一个氘原子核用加速器加速后和一个氚原子核以极高的速度碰撞，两个原子核发生了融合，形成一个新的原子核——氦外加一个自由中子（见图5-1），在这个过程中释放出了17.6兆电子伏的能量，这就是太阳持续45亿年发光发热的原理。这也是可控核聚变通常被称为人造太阳的原因。

图5-1：核聚变原理图

核聚变较之核裂变有两个重大优点。一是地球上蕴藏的核聚变能远比核裂变能丰富得多。据测算，每升海水中含有0.03克氘，所以地球上仅在海水中就有45万亿吨氘。1升海水中所含的氘，经过核聚变可提供相当于300升汽油燃烧后释放出的能量。地球上蕴藏的核聚变能约为蕴藏的可进行核裂变元素所能释出的全部核裂变能的1000万倍，可以说是取之不竭的能源。至于氚，虽然自然界中不存在，但靠中子同锂作用可以产生，而海水中也含有大量锂。第二个优点是既干净又安全。因为聚变不会产生放射性物质，且聚变产物氦气对环境也没有污染。

不过，核聚变的原理虽然很简单，也很好理解，但实现受控核聚变却困难重重。首先，作为反应体的氘氚混合气必须被加热到等离子态——也就是温度足够高到使得电子能脱离原子核的束缚，原子核能自由运动，这时才可能使得原子核发生直接接触，这个时候，需要大约10万摄氏度的温度。第二步，为了克服库仑力，也就是同样带正电荷的原子核之间的互斥力，原子核需要以极快的速度运行，得到这个速度，最简单的方法就是——继续加温，使得布朗运动达到一个疯狂的水平，要使原子核达到这种运行状态，需要上亿摄氏度的温度。然后就简单了，氚的原子核和氘的原子核以极大的速度，赤裸裸地发生碰撞，产生了新的氦核和新的中子，释放出巨大的能量。经过一段时间，反应体已经不需要外来能源的加热，核聚变的温度足够使得原子核继续发生聚变。这个过程只要氦原子核和中子被及时排除，新的氚和氘的混合气被输入到反应体，核聚变就能持续下去，产生的能量一小部分留在反应体内，维持链式反应，大部分可以输出，作为能源来使用。看起来很简单是吧，但这里有一个问题，我们这个高达上亿摄氏度的反应体放在哪里呢？迄今为止，人类还没有造出任何能经受1万摄氏度的化学结构，更不要说上亿摄氏度了。这就是为什么一槌子买卖的氢弹已经制造了70年后（1951年5月美国在太平洋上的恩尼威托克岛试验场进行氢弹试验），人类还没能有效的从核聚变中获取能量的唯一原因。

不能用化学结构的方法解决问题，我们就用物理的试验一下。约束高温反应体的理论目前有两种，一种是磁力约束，另一种是惯性约束。花开两朵，各表一枝。我们先说磁力约束，因为目前世界受控核聚变研究主要集中在这个方向。

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5.2磁力约束核聚变5.2.1磁力约束核聚变原理

磁力约束的原理是这样的：由于原子核是带正电的，如果我们能建立一个足够强大的环形磁场，那么原子核就只能沿着磁力线的方向在环形磁场内运动，跑不出磁场的范围。而在环形磁场外的一定距离上，可以建立一个大型的换热装置，将反应体的能量以热辐射的方式传到换热体，然后再使用人类已经很熟悉的方法（比如烧开水等），把热能转换成电能。这种磁力约束的方法最早由苏联科学家塔姆和萨哈罗夫在20世纪50年代提出。

为实现磁力约束，需要一个能产生足够强的环形磁场的装置。目前在磁力约束核聚变研究方面普遍使用托卡马克装置。托卡马克，是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器。它的名字Tokamak是俄语中是由“环形”、“真空”、“磁”、“线圈”的字头组成的缩写。托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈（见图5-2、图5-3）。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，能将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。

图5-2：典型的托卡马克装置整体结构图图5-3：典型的托卡马克装置结构分解图5.2.2世界磁力约束核聚变技术的发展

早在1954年，阿齐莫维齐等人就在在原苏联库尔恰托夫原子能研究所就建成了世界上第一个托卡马克装置。貌似很顺利吧？其实不然，要想能够投入实际使用，必须使得输入装置的能量远远小于输出的能量才行，我们将聚变反应产生的能量与输入装置的额定能量之比称作能量增益因子——Q值。当时的托卡马克装置是个很不稳定的东西，搞了十几年，也没有得到能量输出，直到1970年，前苏联才在改进了很多次的托卡马克装置（T-3）上第一次获得了实际的能量输出，不过要用当时最高级设备才能测出来，Q值大约是10亿分之一。别小看这个十亿分之一，这使得全世界看到了希望，于是全世界都在这种激励下大干快上，纷纷建设起自己的大型托卡马克装置，欧洲建设了联合环JET，苏联新建了T20（后来缩水成了T15，线圈小了，但是上了超导），日本的JT-60和美国的TFTR也相继完成建设。这些托卡马克装置一次次把能量增益因子（Q）值的纪录刷新。

1991年，欧洲联合环JET实现了核聚变史上第一次氘－氚运行实验，使用6：1的氘氚混合燃料，受控核聚变反应持续了2秒钟，获得了0.17万千瓦输出功率，Q值达0.12。

1993年，美国在TFTR上使用氘、氚1：1的燃料，两次实验释放的聚变能分别为0.3万千瓦和0.56万千瓦，Q值达到了0.28。

1997年9月，欧洲联合环JET创造了输出功率1.29万千瓦的世界纪录，Q值达0.60，持续了2秒。仅过了39天，输出功率又提高到1.61万千瓦，Q值达到0.65。

1997年12月，日本在JT－60上成功进行了氘－氘反应实验，换算到氘－氚反应，Q值可以达到1。后来，Q值又超过了1.25。这是第一次Q值大于1，

不过，随着托卡马克装置越接近实用，其需要的磁场也越来越强，给导线通入的电流也越来越大，这个时候，导线电阻的问题就出现了，电阻使得线圈的效率降低，同时限制通过大的电流，不能产生足够的磁场。托卡马克此时貌似走到了尽头。幸好，超导技术的发展使得托卡马克峰回路转，只要把线圈做成超导体，理论上就可以解决大电流和损耗的问题，于是，使用超导线圈的托卡马克装置就诞生了，这就是超托卡马克。目前为止，世界上有多个国家建成了大型超托卡马克装置，如法国的Tore－Supra，俄罗斯的T-15，日本的JT-60U，韩国的KSTAR，中国的EAST和德国的螺旋石7-X。这些装置的投用极大的推进了核聚变研究的进程，比如我国的EAST在2020年4月取得重大突破，等离子体中心电子温度在全球首次实现1亿摄氏度运行近10秒。不过EAST的记录很快被韩国打破，2020年12月，韩国核聚变托卡马克装置KSTAR成功地将高温等离子体保持了20秒，离子温度超过1亿摄氏度，创造了新的世界纪录。

除了各国的超托卡马克装置，目前还有一个能产生大规模核聚变反应的超导托卡马克装置正在进行全球合作建设，那就是大名鼎鼎的国际热核聚变实验堆（ITER）。

1985年，作为结束冷战的标志性行动之一，前苏联领导人戈尔巴乔夫和美国总统里根在日内瓦峰会上倡议，由美、苏、欧、日共同启动“国际热核聚变实验堆（ITER）”计划。

最初，该计划仅确定由美、俄、欧、日四方参加，独立于联合国原子能委员会（IAEA）之外，总部分设美、日、欧三处。由于当时的科学和技术条件还不成熟，四方科技人员于1996年提出的ITER初步设计很不合理，要求投资上百亿美元。1998年，美国出于政治原因及国内纷争，以加强基础研究为名，宣布退出ITER计划（这不禁让我想起了一战之后成立的国联）。欧、日、俄三方则继续坚持合作，并基于上世纪90年代基于核聚变研究及其他高新技术的新发展，大幅度修改实验堆的设计。2001年，欧、日、俄联合工作组完成了ITER装置新的工程设计（EDA）及主要部件的研制，预计建造费用为50亿美元（1998年价）。其后，三方分别组织了独立的审查，都认为设计合理，基本上可以接受。

2002年，欧、日、俄三方以EDA为基础开始协商ITER计划的国际协议及相应国际组织的建立，并表示欢迎中国与美国参加ITER计划。中国于2003年1月初正式宣布参加协商，其后美国在2003年1月末由布什总统特别宣布重新参加ITER计划，韩国在2005年被接受参加ITER计划协商。以上六方于2005年6月签订协议，一致同意把ITER建在法国核技术研究中心卡达拉舍（Cadarache），从而结束了激烈的“选址大战”。印度于2006年加入ITER协商。最终，七个成员国政府于2006年5月25日草签了建设ITER的国际协定。

ITER计划是目前世界上仅次于国际空间站的又一个国际大科学工程计划，也是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，合作承担ITER计划的七个成员包括了全世界主要的核国家和主要的亚洲国家，覆盖的人口接近全球一半。

ITER建设总投资的50亿美元（1998年值）中，欧盟贡献46%，美、日、俄、中、韩、印各贡献约9%。根据协议，中国贡献中的70%以上由我国制造的ITER部件折算，10%由我国派出所需合格人员折算，需支付国际组织的外汇约占20%。

ITER计划分三个阶段进行：第一阶段为实验堆建设阶段，从2007年到2021年；第二阶段为热核聚变运行实验阶段，持续20年，其间将验证核聚变燃料的性能、实验堆所使用材料的可靠性、核聚变堆的可开发性等，为大规模商业开发聚变能进行科学和技术认证；第三阶段为实验堆退役阶段，历时5年。2020年8月，ITER正式开始安装工作。

图5-4：ITER项目建设现场（2020年7月）

ITER是目前世界上最大的托卡马克装置，其主机总重达23000吨，真空室体积约840立方米（见图5-5）。ITER建造的目标有四个，其中第一期科学目标2个，第二期探索目标1个，外加工程可行性验证目标1个：

（1） 第一期科学目标1：通过感应驱动等离子体电流，获得聚变功率50万千瓦、Q值大于10、脉冲时间400秒的燃烧等离子体；

（2） 第一期科学目标2：通过非感应驱动等离子体电流，产生聚变功率大于35万千瓦、Q大于5、燃烧时间持续3000秒的等离子体，研究燃烧等离子体的稳态运行；

（3） 第二期探索目标：如果约束条件允许，ITER第二期将探索Q大于30的稳态临界点火的燃烧等离子体（不排除点火的可能性）；

工程验证目标：验证受控热核聚变能的工程可行性，而且还将对今后如何设计和建造聚变反应堆提供必不可少的信息。

图5-5：ITER主机外杜瓦（左）和天坛祈年殿（右）尺寸对比

ITER的建设、运行和实验研究是人类发展聚变能的必要一步，如果ITER的建设、运行、实验顺利，将有望于本世纪30年代建设能发电近百万千瓦的聚变能示范电站（各国合作或各自建设）。预计将于本世纪50年代建设聚变能商用电站。到本世纪末，热核聚变能有可能占到总能源的10-20 %，22世纪热核聚变能应该能起重要作用。

5.2.3中国磁力约束核聚变技术的发展

我国磁力约束核聚变研究始于20世纪60 年代初，选择托卡马克为主要研究途径，迄今为止已建成各类托卡马克装置十几个（见表4-12）。

表4-12：中国主要的托卡马克装置

从70 年代开始，我国先后建成并运行了小型装置CT-6，CT-6B、HT-6A、HT-6B，在这些装置的成功研制过程中，组建并锻炼了一批聚变工程队伍。中国科学家在这些托卡马克装置上开展了一系列重要研究工作。

图5-6：1975年建成的CT-6B

1984年我国建成了中型装置托卡马克装置HL-1、HT-6M。

1994 年，核工业西南物理研究院将HL-1改建成了HL-1M，用反馈控制取代了原来的厚铜壳，进行了弹丸注入和高功率辅助加热以及高功率非感应电流驱动下的等离子体研究。HL-1M装置综合性能指标达到了国际同类型同规模装置的先进水平，其实验研究数据列入ITER实验数据库。

同样在1994年，中国科学院等离子体物理研究所建成并运行了当时世界第二大超导托卡马克装置HT-7（合肥超环）。HT-7是由前苏联的T-7改建而成，这里面还有一段故事。

1990年初，前苏联库尔恰托夫原子能研究所所长卡托姆采夫院士给等离子体所写信，表示有意将该所停止运行的T-7托卡马克装置赠送给中国，彼时前苏联已经有了更大的T-15。时任等离子体所所长霍裕平院士获得此信后，考虑到T-7超导线圈很适合准稳态等离子体运行，且其中的一些关键设备在国内当时还无法制造，但我们有能力在较短时间内将T-7改造成较好的装置，使等离子体所在混合堆芯和聚变等离子体工程研究及相关技术上较快接近世界先进水平，并快速培养人才。于是霍裕平院士与所里同事研究，迅速做出决定，果断接收T-7，之后该决定得到中国科学院和有关部委的大力支持。

1991年底至1994年，T-7及其配套的低温、电源等系统陆续运到合肥。等离子体所利用3年多时间对T-7及其低温系统进行了根本性的改造。装置改造后更名为“HT-7”，“H”意为合肥。2010年，HT-7又征得中文名为合肥超环。

不过T-7说是赠送，我国其实也没白拿，据说回赠了两车皮的羽绒服，以示礼尚往来。

建成后的HT-7是一个可产生长脉冲高温等离子体的中型聚变研究装置。包括超导托卡马克装置本体、大型超高真空系统、大型计算机控制和数据采集处理系统、大型高功率脉冲电源及其回路系统、全国规模最大的低温氦制冷系统、兆瓦级低杂波电流驱动和射频波加热系统以及数十种复杂的诊断测量系统。

1993年10月以欧共体聚变研究部名誉主席席帕仑波为首的十二位来自九个国家的世界著名科学家对HT-7进行了评估，称HT-7是“发展中国家最先进的托卡马克装置，使中国核聚变研究接近世界核心聚变的前沿”。1994年7月，HT-7成功地进行了低温和磁体调试，最大纵场励磁电流超过5000A，达到原T-7运行水平，同年8月，中国科学院正式将HT-7纳入国家大科学工程管理。同年12月，装置正式建成，首次工程调试并成功获得等离子体。1995年3月，HT-7工程联调成功，同年，装置正式投入实验运行。HT-7的成功建造，使中国成为继俄、法、日之后第四个拥有超托卡马克装置的国家，中国的聚变事业开始走向国际舞台。

HT-7共进行了近20轮放电实验，总放电次数为118000次。开展了石墨限制器条件下的运行模式、等离子体物理特性和波加热、波驱动高参数等离子体物理特性研究，探索实现了HT-7高参数、长脉冲运行模式等世界聚变前沿课题研究，为实现稳态参数等离子体开辟了新的思路。2003年3月，HT-7获得可重复的大于60秒放电时间，最长放电时间达到63.95秒，高约束等离子体存在时间为220倍能量约束时间；获得了最高电子温度超过5000万度的等离子体。实验结果表明，HT-7成为继法国Toresupra装置之后，世界上仅有的两个可进行高参数稳态条件下等离子体物理研究的国际合作平台之一。2008年3月21日凌晨， HT-7连续重复实现了长达400秒的等离子体放电，电子温度1000万度，创造了当时国际同类装置中时间最长的高温等离子体放电的新纪录。更关键的是，HT-7为中国造就了一大批优秀工程技术、科研和管理人才，也为中国聚变研究事业的持续发展奠定了坚实的人才基础。

HT-7总共运行了17年，累计完成了10万次放电，2013年5月，HT-7正式被中国科学院和国家环保部批准退役，成为我国首个获批退役的大科学工程装置。

而随着2003年我国开始谈判加入ITER 计划，国内高校的磁约束核聚变等离子体物理研究也开始陆续恢复和发展，最有代表性的是中国科学技术大学和华中科技大学。

华中科技大学通过国际合作引进了德克萨斯大学(奥斯丁)的聚变实验装置TEXT-U，并从2003年开始在国内恢复重建，2007年9月实现了第一次等离子体放电，2008 年完成了TEXT-U 托卡马克装置的重建，后更名为J-TEXT。该装置具有偏滤器位形和电子回旋共振加热系统，运行区间从欧姆加热模式、低约束模式和限制器下高约束模式扩展到了偏滤器运行模式、射频加热下的高约束模式等。

J-TEXT装置的主要参数为：大环半径105 cm，等离子体截面半径30 cm，环向场磁感应强度3.0 T，环向等离子体电流300 kA。J-TEXT托卡马克是目前国内高校中唯一的中型托卡马克聚变实验装置，专门用于培养核聚变技术人才和进行基础性前沿性的物理实验研究，成为ITER 的人才培养、培训和磁约束聚变基础研究的主要实验平台。

图5-7：华中科技大学的J-TEXT托卡马克装置

中国科学技术大学是承担ITER 计划专项国内研究最重要的高校之一，承担了“托卡马克等离子体基本理论与数值模拟研究”、“托卡马克等离子体诊断技术研究”、“反场箍缩磁约束聚变位形研究”、“聚变堆燃烧等离子体诊断关键技术研究”等项目。2015年，中科大建成了反场箍缩磁约束聚变实验装置KTX（科大一环），其主要的科学目标之一就是从实验上进一步检验这个磁约束等离子体演化的新理论。KTX 设计目标为：半径比4.625(R/r=1.45 m/0.4 m)，最大等离子体电流1MA，无反馈时放电时间10-30 ms，主动反馈控制时间100 ms。

图5-8：中国科学技术大学反场箍缩磁约束聚变实验装置KTX（科大一环）

而北京大学、清华大学、上海交通大学、浙江大学、大连理工大学、四川大学、东华大学、北京科技大学、北京航空航天大学等学校的研究人员也开展了托卡马克等离子体湍流与输运过程、磁流体不稳定性、快粒子物理、波与等离子体相互作用、等离子体与壁相互作用、聚变堆材料和聚变工程技术等方面的研究，也培养了一批研究生和年轻研究人员，并取得了一些很好的成果。