可控核聚变科学技术前沿问题和进展

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1、可控核聚变科学技术前沿问题和进展张浩然物理与材料科学学院15级应用物理学B31514024摘要：可控核聚变能源是未来理想的清洁能源。国际磁约束聚变界近期研究的焦点是国际热核聚变实验堆（ITER）项目。本文介绍了ITER计划的科学目标和工程技术目标中的前沿问题，提出了我国磁约束聚变近期、中期和远期技术目标，制定了中国磁约束聚变发展路线图。关键词：国际热核聚变实验堆；中国聚变工程实验堆；ITER一、前言可控核聚变能源是未来理想的清洁能源。在磁约束聚变领域，托卡马克研究目前处于领先地位。我国正式参加了国际热核聚变实验堆（ITER）项目的建设和研究，同时正在自主设计研发中国聚变

2、工程试验堆（CFETR）。在惯性约束领域，Z箍缩作为能源更具潜力，有可能发展成具有竞争力的聚变–裂变混合能源。本文重点介绍了磁约束聚变的前沿问题等。二、磁约束聚变前沿问题（一）磁约束聚变的研究意义和现状磁约束聚变是利用特殊形态的磁场把氘、氚等轻原子核和自由电子组成的处于热核反应状态的超高温等离子体约束在有限的体积内，使等离子体受控制地发生大量的原子核聚变反应，释放出能量。磁约束聚变通过低密度长时间燃烧的方式实现氘、氚等离子体的自持燃烧，并将这种燃烧维持下去。世界上的磁约束聚变装置主要有托卡马克、仿星器、磁镜三种类型，其中托卡马克最容易接近聚变条件而且发展最快。目前，磁约

3、束聚变已经取得重大进展，我国正式参加了ITER项目的建设和研究；同时作为ITER装置与聚变示范堆（DEMO）之间的桥梁，我国正在自主设计、研发CFETR项目[1]。这些措施将使我国的磁约束聚变研究水平位于国际前列。（二）磁约束聚变的前沿问题磁约束聚变的研究开发不仅耗资巨大，而且在科学和技术上充满了挑战，以至于在经历了40多年的较具规模的国际聚变研究之后，直到20世纪90年代才基本获得可以建造磁约束聚变实验堆的必要知识和技术。磁约束聚变还处于探索阶段，存在很多物理和工程技术方面的问题需要解决。目前，国际磁约束聚变界的主要研究内容是与ITER装置相关的各类物理与技术问题[2

4、]。ITER装置设计总聚变功率达到5×105kW，是一个电站规模的实验反应堆。它的作用和任务是利用具有电站规模的实验堆证明氘、氚等离子体的受控点火和持续燃烧，验证聚变反应堆系统的工程可行性，综合测试聚变发电所需的高热流和核部件，实现稳态运行，从而为建造聚变能示范电站奠定坚实的科学基础和必要的技术基础。ITER计划的科学目标具体包括：①集成验证先进托卡马克运行模式；②验证“稳态燃烧等离子”体物理过程；③聚变阿尔法粒子物理；④燃烧等离子体控制；⑤新参数范围内的约束定标关系；⑥加料和排灰技术。ITER装置运行第一阶段的主要目标是建设一个氘、氚燃烧能产生5×105kW聚变功率聚

5、变增益系数Q=10、脉冲维持大于400s的托卡马克聚变堆。在ITER装置中将产生与未来商用聚变反应堆相近的氘、氚燃烧等离子体，供科学家和工程师研究其性质和控制方法，这是实现聚变能必经的关键一步。ITER装置运行的第二阶段将探索实现稳态高约束的高性能燃烧等离子体，聚变增益系数Q=5、脉冲维持大于3000s。这种稳态高性能的“先进燃烧等离子体”是建造托卡马克型商用聚变堆所必需的。ITER计划在后期还将探索实现高增益的燃烧等离子体。ITER计划科学目标的实现将为商用聚变堆的建造奠定可靠的科学和工程技术基础。此外，ITER计划的工程技术目标是通过创造和维持氘、氚燃烧等离子体，检

6、验和实现各种聚变技术的集成，并进一步研究和发展能直接用于商用聚变堆的相关技术。上述工作是设计与建造商用聚变堆之前所必须的，而且只能在ITER装置上开展。ITER计划在工程技术方面部分验证的聚变堆的工程技术问题包括以下几个。（1）堆级磁体及其相关的供电与控制技术研究；（2）稳态燃烧等离子体（产生、维持与控制）技术，即无感应电流驱动技术、堆级高功率辅助加热技术、堆级等离子体诊断技术、等离子体位形控制技术、加料与除灰技术的研究；（3）初步开展高热负荷材料试验；（4）包层技术、中子能量慢化及能量提取、中子屏蔽及环保技术研究；（5）低活化结构材料试验（TBM），氚增殖剂试验研究，

7、氚再生、防氚渗透实验研究，氚回收及氚纯化技术研究；（6）热室技术，堆芯部件远距离控制、操作、更换及维修技术研究。ITER将集成当今国际受控磁约束核聚变研究的主要科学和技术成果，第一次在地球上实现能与未来实用聚变堆规模相比拟的受控热核聚变实验堆，解决通向聚变电站的关键问题。ITER计划的成功实施，将全面验证聚变能源开发利用的科学可行性和工程可行性，是人类受控热核聚变研究走向实用的关键一步。（三）我国磁约束聚变研究的技术目标和发展规划我国核聚变能研究开始于20世纪60年代初，尽管经历了长时间非常困难的阶段，但始终能坚持稳定、渐进的发展。从20