问题

请问现在世界各个国家的核聚变研究的怎样了?

回答
当前,全球的核聚变研究正处在一个前所未有的活跃时期,各国都在争分夺秒地推进这项有望解决人类能源危机的技术。你可以把现在的局面想象成一场高科技的马拉松,而我们正跑在争取冲刺阶段的路上。

国际合作的典范:ITER 项目

说起核聚变研究,不得不提的就是ITER(国际热核聚变实验堆)。这是目前为止最大、最雄心勃勃的核聚变项目,也是一个汇集了全球顶尖科学力量的合作典范。ITER 建在法国南部,参与国包括欧盟、美国、俄罗斯、中国、日本、韩国和印度。它的目标是建造一个能够产生净能量增益(即产生的聚变能量大于维持反应所需的能量)的托卡马克装置。

ITER 的建造过程本身就像一部史诗。项目进展虽然经历了一些延误和成本超支,但核心部件的制造和安装正在稳步推进。例如,巨型真空室的组装、超导磁体的安装都是极其复杂且精密的工程。ITER 的成功将为下一代商业聚变反应堆的设计和运行提供至关重要的实验数据和经验。它不仅仅是一个科学实验,更是一个技术集成和国际协作的巨大考验。

各国在核聚变领域的独特贡献和进展

除了ITER,许多国家也在独立或合作进行自己的核聚变研究,各有侧重,并都取得了重要的进展:

中国: 我国在核聚变领域投入巨大,并取得了令人瞩目的成就。
“人造太阳”EAST(东方超环): 这是中国自主研制的超导托卡马克核聚变实验装置,已经在实现长脉冲高约束模运行方面取得了一系列突破,多次刷新了世界纪录。EAST 的目标是模拟未来聚变反应堆的运行条件,特别是解决长时稳定运行的难题。它在等离子体加热、约束以及诊断技术方面都走在世界前列。
CFETR(中国聚变工程实验堆): 这是中国自主设计、建造的聚变工程实验堆,目标是实现1亿摄氏度等离子体运行,产生比ITER更高的聚变功率,并具备氚增殖能力。CFETR 的建设将为中国在2050年左右实现聚变发电打下坚实基础。
球形托卡马克研究: 除了传统的托卡马克,中国还在积极探索球形托卡马克(ST)等新型聚变装置,例如位于合肥的HT7U,这些装置的紧凑性和更高的参数潜力也吸引着研究者。

美国: 美国在核聚变领域有着悠久的历史和深厚的研究基础。
私营企业的崛起: 近年来,美国的私营聚变公司如雨后春笋般涌现,并且获得了大量的投资。这些公司采取了更多样化的技术路径,例如磁约束聚变(MFE)中的先进托卡马克设计、仿星器(Stellarator)以及惯性约束聚变(ICF)中的激光驱动和磁驱动方法。
Commonwealth Fusion Systems (CFS) 的 SPARC 和 ARC 项目: CFS 公司与麻省理工学院(MIT)合作,正在开发一种基于高温超导磁体技术的紧凑型托卡马克装置 SPARC,旨在实现比ITER更高的性能。如果 SPARC 成功,他们计划建造一个全尺寸的发电厂 ARC。这被认为是实现聚变发电最快路径之一。
国家点火装置(NIF): NIF 是美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的激光惯性约束聚变装置,在2021年和2022年先后两次实现了“科学净能量增益”,即激光输入到靶丸的能量大于聚变反应产生的能量。这是ICF领域的一个里程碑,但距离实际发电还有很长的路要走。

欧洲: 除了作为ITER的主要贡献者,欧洲各国也在积极推进自己的聚变研究。
德国: Max Planck 等离子体物理研究所(IPP)是欧洲重要的聚变研究机构。他们在仿星器(如Wendelstein 7X)方面的研究非常突出。仿星器是一种无需像托卡马克那样持续调整电流来维持等离子体稳定性的装置,具有潜在的长期运行优势。
英国: Culham Science Centre 是英国聚变研究的中心,拥有JET(联合欧洲环面),这是目前世界上运行的最大、最强的托卡马克装置。JET 在近期已经成功使用氘氚燃料产生了前所未有的聚变能量输出,并且创造了新的能量记录,为ITER提供了宝贵的运行经验和数据。英国也在规划自己的聚变发电厂项目,如STEP(Spherical Tokamak for Energy Production)。

日本: 日本在ITER中扮演着重要的角色,并在LHD(大功率螺旋式等离子体实验装置)等仿星器研究方面也很有建树。LHD是目前世界上最大的仿星器之一,致力于解决仿星器的等离子体稳定性和能量约束问题。

韩国: 韩国拥有KSTAR(韩国超导托卡马克先进研究中心)装置,该装置也专注于实现长时间、高参数的等离子体运行,并取得了多项重要的技术进展,例如在1亿摄氏度下维持等离子体运行超过30秒。

技术路径的多样化

值得注意的是,核聚变研究并非只有托卡马克一种技术路线。除了托卡马克和仿星器,还有许多其他的研究方向,例如:

惯性约束聚变(ICF): 主要通过高能激光或其他粒子束压缩燃料靶丸,使其达到聚变条件。前面提到的美国NIF就是ICF的代表。
磁化靶聚变(MTF): 结合了磁约束和惯性约束的特点。
电磁囚禁聚变(EMC): 尝试用电磁场来约束等离子体。
先进磁约束概念: 如前面提到的球形托卡马克(ST)、反场磁镜(FieldReversed Configuration, FRC)等,它们在结构紧凑性或等离子体参数方面可能比传统托卡马克更具优势。

挑战与未来展望

尽管进展显著,但实现可控核聚变并最终实现商业化发电仍然面临巨大的挑战:

1. 等离子体稳定性和约束: 如何在极高的温度下长时间稳定地约束等离子体,防止其发生不稳定性而逃逸,是核心难题。
2. 材料问题: 反应堆内部的材料需要承受极高的温度、粒子轰击和中子辐射,开发能够长时间承受这些极端条件的材料是关键。
3. 氚处理: 聚变反应需要用到氚,这是一种放射性同位素。如何安全地生产、储存、输送和循环利用氚,以及如何管理由此产生的少量放射性废物,都需要严格的技术和管理。
4. 工程复杂性和成本: 核聚变反应堆的建造和运行都极其复杂,成本也相当高昂。
5. 经济性: 如何让聚变发电的成本具有市场竞争力,也是实现商业化的重要考量。

然而,随着科学技术的不断进步,特别是高温超导材料的发展,以及各国政府和私营部门的持续投入,核聚变研究正变得越来越有希望。许多专家预测,首个聚变示范电厂可能在2030年代末或2040年代初投入运行,而商业化聚变发电则可能在2050年代或之后实现。

总而言之,世界各国的核聚变研究正处在一个激动人心的阶段,科学探索和工程实践都在以前所未有的速度推进着。这不仅是一场科学竞赛,更是人类为了可持续能源和美好未来而共同努力的伟大事业。

网友意见

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话说,有句话叫“我们距离可控核聚变,还有五十年”……

2016年发过一点关于可控核聚变的内容,里面提到了中美俄欧的研究进展和未来规划~

时间过去3年了,掐指一算,我们距离可控核聚变,还有五十年……

好了,说正经的,概念、进展大家都说了很多,想重点说说为啥这么难搞,再畅想下未来核聚变反应堆可能的样子。

可控核聚变,可以带来清洁和近乎无限的能源供应,一直都被寄予“解决全球能源问题”的期望。算一道题,地球上的聚变能燃料丰富,海水中就含有大量的核聚变燃料——氢的同位素“氘”。一升海水中含30毫克氘,所含的氘完全聚变所释放的能量相当于燃料340升汽油的能量。海水中氘的总量约40万亿吨。按目前世界消耗的能源计算,海水中氘的聚变能可用几百亿年[1]。

但是,人类奋斗了几十年,商用核聚变能源还是离我们很遥远。

这是为什么?

除了技术上的种种难度,成本问题也是不容忽视的。在法国南部建造的国际热核聚变实验堆(ITER)很庞大,高29米,直径28米,重23000吨。2011年5月,预算测算已经涨至大约160亿欧元,建设成本几乎是最初估计的4倍。

未来的聚变堆能否不再庞大和昂贵?核聚变未来的发展方向是什么?也许是更强的磁场。

但是,可控核聚变的难点,在于两个问题。一,如何将聚变材料加热到上亿度的高温?二,用什么容器来装温度这么高的聚变材料?

对于第二个问题,目前的主流方法是把聚变燃料做成等离子体(原子核和电子分离,都可以自由流动),用超强磁场约束等离子体,让它们悬空高速旋转,不跟容器直接接触。

现在大家常说的托卡马克装置,就是利用螺旋形磁场约束高温等离子体,使其不与装置的内壁直接接触,实现核聚变反应,被称为“人造太阳”,是人类最有希望实现聚变能和平利用的科学途径。

人类探索受控核聚变始于上世纪50年代。自从前苏联发明了托卡马克,磁约束核聚变研究便进入了高歌猛进的时代。大家都知道个人电脑CPU芯片的更新速度很快,但大家并不知道,其实近50年,托卡马克等离子体的性能提升速度比CPU芯片还要快。

目前托卡马克装置所获得的等离子体参数距离聚变堆条件还有一步之遥。其它的磁约束装置,除了仿星器与球形托卡马克之外,在参数上都还有量级上的差距。

上世80年代,国际上建成了三个较大的托卡马克装置:美国的TFTR,欧盟的JET和日本的JT-60U[4]。

1996年,日本JT-60U达到等效能量得失相当,即聚变产出的能量超过了输入的能量;这个装置曾达到4亿度的中心离子温度[5]。1997年,JET获得聚变功率16.2兆瓦[6]。这些实验证实了核聚变作为能源原理上的可行性。

受到TFTR,JET和JT-60U实验结果的鼓舞,上世纪80年代,国际上启动了ITER计划[7]。几个大国联合起来建造一个很大的超导托卡马克装置,计划产生超过Pfusion~500兆瓦的氘氚聚变功率,实现产出的能量10倍于输入的能量(聚变增益Q~10),演示聚变能成为未来商用清洁能源的可行性。ITER是仅次于国际空间站的第二大国际科技合作项目,是中国参加的最大的国际科技合作项目。

强磁场:人类获得紧凑型商用聚变堆的关键

磁约束聚变装置主要靠磁场来约束高温等离子体。托卡马克聚变堆单位体积的聚变功率密度正比于磁感应强度的4次方[8]。

如果磁感应强度上不去,就只能通过提高体积的方式来获得所需的聚变功率。可见,提高磁感应强度B是缩小托卡马克聚变堆尺寸R的关键。但是超导临界电流密度的限制使得低温超导线圈所能达到的最高磁感应强度非常有限。低温超导体,如铌三锡和铌钛,当电流密度超过一定的值就会失去超导态,这使得铌三锡和铌钛磁体分别最高只能达到Bmax=13.5T和8T。此外,低温超导材料需要工作在4.5K以下的极低温条件下,只能用液氦冷却,而氦是一种较为稀缺的资源[4]。

ITER采用铌三锡超导磁体,等离子体中心最高磁感应强度只能达到B0=5.3T,这时线圈的高场侧达到13T [7]。因此,要达到500兆瓦聚变功率的目标,科学家不得不将ITER设计得很大,等离子体大半径R=6.2米。而托卡马克装置的成本,除去核系统,大致正比于R3。因此,ITER的成本降不下来。可见,正是因为ITER采用了低温超导线圈,才如此庞大和昂贵。要降低成本,减小装置尺寸,最有效的办法就是增强磁场。

用铜线圈可以实现更强的磁场,最高磁感应强度Bmax可超过20T,等离子体中心磁场B0可达~10T。但是因为铜线圈通电会发热,在最高参数下每次只能运行20秒左右的时间,因此铜线圈托卡马克只能短脉冲运行。

美国麻省理工学院(MIT)前年关掉的一个用液氮冷却的铜线圈小型托卡马克Alcator C-Mod可以达到11T[9]。这个装置虽然小,但是保持着磁约束等离子体压强的世界纪录。

高电导率铍铜的市场价格大约是200元/公斤。而低温超导铌三锡线圈的结构和工艺相对复杂很多,价格大约是1万元/公斤。液氮冷却的铜线圈是实现强磁场托卡马克最廉价的方式,可以以最低的成本达到核聚变“点火”所需的等离子体参数条件,为开展燃烧等离子体物理研究提供实验平台。

从系统复杂度的角度,铜线圈托卡马克比低温超导托卡马克低一些,因此发生故障的概率也低一些。但由于其只能短脉冲运行,因此注定只能作为实验装置。相比而言,超导线圈的电阻很小,消耗的能量很低,只有超导装置才能产生净余的能量,并可以实现稳态运行。未来聚变堆需要稳态运行,持续不间断地向电网输送电能。因此超导装置是核聚变作为能源应用的必由之路。

未来核聚变可能的样子:高温超导强磁场线圈

通过上面的介绍,可以看到,磁约束聚变界面临这样一个局面:低温超导线圈的磁感应强度限制使得不得不建ITER这么庞大和昂贵的装置;而可以达到10T强磁场的廉价铜线圈装置却不能作为能源,只适合作为实验装置和聚变中子源。在山穷水复疑无路的时候,核聚变研究领域之外的一场新技术变革正在悄然来临,这就是高温超导强磁场技术。它将彻底改变磁约束聚变的游戏规则。

高温超导导线的工作温度、临界电流密度、最高磁场强度参数范围比低温超导导线有了很大的扩展[11]。不仅可以工作在更高的温度下,而且当在低温下工作时,可以达到更高的电流密度,因此可以实现更强的磁场。

采用更强的磁场不仅可以减小聚变堆的尺寸和造价,而且还有其它多方面的好处[11]。

强磁场可以使托卡马克运行在:

1. 较大边界安全因子条件下,将显著降低等离子体发生大破裂的风险,大破裂是托卡马克的主要弱点之一;

2. 小幅度边界局域模(ELM)高约束模式下,避免大幅度ELM产生的瞬态热负荷对偏滤器靶板的侵蚀;

3. 较高密度条件下,有利于提高聚变功率和对高能粒子的约束,并有利于偏滤器进入脱靶状态,降低热流对靶板的侵蚀;

4. 先进托卡马克(AT)运行模式下,有利于实现高性能稳态运行。

2019年6月12日,Nature期刊报道美国国家强磁场实验室用YBCO高温超导和铜的混合磁体实现了45.5T的稳态强磁场世界纪录[12]。而MIT一直沿着紧凑型强场托卡马克这条主线发展,最先看到了高温超导强场这一发展趋势。虽然Alcator C-Mod装置被关掉了,但是近两年MIT积极探索了一系列的创新技术[15],比如:基于二代高温超导带状导线REBCO,设计了聚变功率Pfusion>50兆瓦、聚变增益Q>2的小型聚变试验堆SPARC[16]和聚变功率Pfusion>200兆瓦、聚变增益Q>10的聚变商业示范堆ARC[14]等。

SPARC设计磁场B0=12T,等离子体大半径只有R=1.65米,等离子体体积只有11立方米,与EAST差不多,是ITER的1/80。虽然这么小,但是预计可以实现燃烧等离子体。MIT得到了私营公司Commonwealth Fusion Systems(CFS)的资助。一期投资8千万美元,主要用于研发高温超导线圈[11]。

ARC设计磁场B0=9.2T,等离子体大半径R=3.3米,等离子体体积140立方米。预计造价55亿美元。之所以这么贵,主要是因为目前高温超导导线还很贵。

未来的中国超导聚变装置

近几年,高温超导的产业化发展迅速。不仅美、日、韩、德有多家企业,国内,上海超导和苏州新材料研究所都已研制成功千米级二代高温超导带状导线REBCO,并实现了商业化销售。但目前价格还比较贵,大约200元/米。高温超导线圈的成本比低温超导线圈高了一个数量级。但因为高温超导有广泛的应用领域,如直流输电、超导磁悬浮列车、超导电机、超导发电机、超导变压器、超导故障电流限制器、超导电缆,以及高磁场核磁共振成像NMR/磁共振成像MRI等,市场需求潜力巨大。

考虑到目前高温超导线圈的技术水平和成本,比较适合建造小型的托卡马克、仿星器或磁镜等稳态磁约束聚变实验装置,瞄准稳态运行目标,并及时启动高温超导聚变堆设计的国家计划。未来10年,随着高温超导产业化的发展和成本的降低,用高温超导线圈建造聚变堆将变得现实。

我国可控热核聚变实验装置“东方超环”(EAST超导托卡马克)的科研人员近期发现了Grassy ELM高性能稳态运行模式的形成机理[G. S. Xu et al., PRL 122, 255001 (2019)]。有望将这种运行模式应用于未来强磁场稳态托卡马克核聚变反应堆,解决瞬态热负荷问题。

参考文献:

[1] 朱士尧, 核聚变原理 (中国科学技术大学出版社, 1992).

[2] M. Kikuchi, Energies 3, 1741 (2010).

[3] M. Wade, General Atomics Perspective on the US MFE Program in the 2020s, 2018.

[4] M. Kikuchi, et al., Fusion Physics (INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY, Vienna, 2012).

[5] M. Nemoto, et al., Plasma Physics and Controlled Fusion 39, 1599 (1997).

[6] A. Kaye, et al., Fusion technology 34, 308 (1998).

[7] R. Aymar, et al., Plasma Physics and Controlled Fusion 44, 519, Pii s0741-3335(02)28936-8 (2002).

[8] D. Whyte, Philosophical Transactions of the Royal Society a-Mathematical Physical and Engineering Sciences 377, 20180354 (2019).

[9] M. Greenwald, et al., Physics of Plasmas 21, 110501 (2014).

[10] M. Abdou, in TOFF 2012 ANS 20th topical meeting on the technology of fusion energy (Nashville, TN, 2012).

[11] D. G. Whyte, et al., Journal of Fusion Energy 35, 41 (2016).

[12] S. Hahn, et al., Nature (2019).

[13] The National Academies of Sciences and Medicine, Final Report of the Committee on a Strategic Plan for US Burning Plasma Research (National Academies Press, 2019) nap.edu/25331.

[14] B. Sorbom, et al., Fusion Engineering and Design 100, 378 (2015).

[15] R. Mumgaard, et al., The High-Field Path to Practical Fusion Energy, in APS meeting 2017.

[16] M. Greenwald, et al., Bulletin of the American Physical Society (2018).

[17] J. A. Schmidt, et al., Journal of Fusion Energy 12, 221 (1993).

[18] 万宝年 and 徐国盛, 科学通报, 2157 (2015).

[19] 万宝年 and 徐国盛, Chinese Science Bulletin 60, 2157 (2015).

[20] G.S. Xu, et al., Physical Review Letters 122, 255001 (2019).


作者:徐国盛(中国科学院等离子体物理研究所)

出品:科学大院

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