中国核聚变研究现状与发展趋势

总结了国内核聚变的研究现状，并对我国核聚变的发展趋势和发展路线进行展望。

【关键词】核聚变;托克马克;等离子体

中图分类号： TL61 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）05-0148-003

0 前言

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。

1 核聚变能简介

核聚变和核裂变理论都来自著名的爱因斯坦质能方程E=mc2，核聚变释放的能量比核裂变要大得多。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，如下三个聚变反应分别是氘-氘反应，氘-氦反应和氘-氚反应。其中氘氚反应是地球上最容易实现的聚变反应。

氘与氚可直接取自海水，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。

2 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。核聚变通常有三种方式来产生，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。

3 中国核聚变装置的研究现状

我国核聚变研究起步于上个世纪50年代。经过多年的探索，我国磁约束核聚变的研究重点现主要集中在托卡马克装置上。时至今日，已建成或在建大中小各类托卡马克装置十多个。

3.1 HT-7超导托克马克

1994年，中科院等离子体所建成了中国第一（世界第四）个超导托克马克装置HT-7。该装置历时三年半，花费1800万，将原本不具备物理实验功能的装置成功改造成能够开展稳态高参数实验的超导托克马克装置。HT-7实现的63秒稳态运行时间刷新了当时的世界纪录，于2003年被评选为“2003年度中国十大科技进展”。

3.2 HL-2A

2002年，西南物理研究院建成HL-2A，该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。

3.3 中国“东方超环”EAST

EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak）是由中科院等离子体物理研究所在1998年至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做出的這些国际一流的成果，对未来ITER科学实验有重要意义。

4 中国核聚变的发展趋势

4.1 中国加入ITER

ITER（International Thermonuclear Experimental Reactor）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。

ITER项目是中国建国以来最大的国际科技合作项目。中国加入ITER计划带来的多项现实意义：首先，通过参加该项目的建设，全面掌握相关知识和技术，使中国有可能在较短时间赶上磁约束聚变研究世界先进水平，大大加快中国聚变能开发进程。其次，ITER是核科学技术、超导技术、大功率微波技术、等离子体技术、高能粒子束技术、复杂系统控制技术、机器人技术、精密加工技术等综合集成，可拉动中国相关领域技术发展。再次，中国对ITER建造的贡献中，将近百分之八十是以国内制造的实物部件形式实现，这对提高中国企业技术能力和国际竞争力也是个难得的机会。最后，中国参加实施ITER计划，配合国内必要的基础研究、聚变反应堆材料研究、聚变堆某些必要技术研究，有可能在较短时间、用较小投资使中国核聚变能研究在整体上进入世界前沿，为中国自主开展核聚变示范电站研发奠定基础。

4.2 中国核聚变发展计划

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。2014年底，CFETR完成了工程概念设计。2017年中“中国聚变工程实验堆集成工程设计研究”（CFETR集成工程设计研究）项目获批。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。

5 结语

大多数世界各主要聚变研发国家都有或在讨论本国聚变未来的发展计划。目前中国无疑是世界各主要聚变研发国家中获得国家支持最强劲的国家。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做出重要贡献！

【参考文献】

[1]萬元熙，开发聚变能迎接新挑战，第十五届长三角科技论坛，2018年.

[2]万宝年，人造太阳—EAST全超导托卡马克核聚变实验装置，浙江教育出版社，2018年.

[3]瑙约克斯，受控核聚变中的等离子体与材料的相互作用，北京大学出版社，2013年.