世界最大“人造太陽”開建 核聚變的發(fā)展方向會是啥？

作者：徐國盛（中國科學(xué)院等離子體物理研究所）

文章來源于科學(xué)大院公眾號（ID：kexuedayuan）

——

經(jīng)過35個國家14年的籌備，當?shù)貢r間2020年7月28日，國際熱核聚變實驗堆（ITER）在法國開啟了組裝工作。其中，磁體饋線、極向場線圈等重要部件是由中國提供的。

人們把可控核聚變稱為“人造太陽”。這項技術(shù)意味著清潔和近乎無限的能源供應(yīng)，一直都被寄予“解決全球能源問題”的期望。但是技術(shù)難度和高昂的成本使之離推廣商用似乎還很遙遠。比如龐大的ITER，高29米，直徑28米，重23000噸。2011年5月，預(yù)算測算已經(jīng)漲至大約160億歐元，建設(shè)成本幾乎是最初估計的4倍。

未來的聚變堆能否不再龐大和昂貴？核聚變未來的發(fā)展方向是什么？也許是更強的磁場。

圖片來源：ITER

什么是核聚變？

太陽的能量來自核聚變反應(yīng)。根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能關(guān)系E=mc2，質(zhì)量損失，可釋放出巨大能量。平均一克氘氚核聚變?nèi)剂袭a(chǎn)生的能量相當于燃燒8噸汽油的能量。

核聚變原理（圖片來源：搜狐網(wǎng)）

聚變能燃料豐富。海水中含有大量的核聚變?nèi)剂稀獨涞耐凰亍半?。一升海水中?0毫克氘，所含的氘完全聚變所釋放的能量相當于燃料340升汽油的能量。海水中氘的總量約40萬億噸。按目前世界消耗的能源計算，海水中氘的聚變能可用幾百億年[1]。

聚變能清潔、安全。核聚變不產(chǎn)生直接放射性核廢料，產(chǎn)物是不具有放射性的氦氣，具有固有的安全性；不產(chǎn)生二氧化碳等大氣污染物；非常容易通過熄滅等離子體的方法快速終止核聚變反應(yīng)，不存在反應(yīng)失控的危險。因此，核聚變是解決人類能源危機，戰(zhàn)勝環(huán)境污染問題的重要途徑。

但是，可控核聚變的難點，在于兩個問題。一，如何將聚變材料加熱到上億度的高溫？二，用什么容器來裝溫度這么高的聚變材料？

對于第二個問題，目前的主流方法是把聚變?nèi)剂献龀傻入x子體（原子核和電子分離，都可以自由流動），用超強磁場約束等離子體，讓它們懸空高速旋轉(zhuǎn)，不跟容器直接接觸。

未來以聚變堆為核心建造GW量級的大型發(fā)電站（圖片來源：[2] ）

托卡馬克: 甜甜圈實現(xiàn)核聚變

托卡馬克裝置利用螺旋形磁場約束高溫等離子體，使其不與裝置的內(nèi)壁直接接觸，實現(xiàn)核聚變反應(yīng)，被稱為“人造太陽”，是人類最有希望實現(xiàn)聚變能和平利用的科學(xué)途徑。

粉紅色的區(qū)域是托卡馬克里的等離子體，類似一個甜甜圈的形狀。（圖片來源：http://www1.cfi.lu.lv/teor/main.html）

人類探索受控核聚變始于上世紀50年代。自從前蘇聯(lián)發(fā)明了托卡馬克，磁約束核聚變研究便進入了高歌猛進的時代。大家都知道個人電腦CPU芯片的更新速度很快，但大家并不知道，近50年，托卡馬克等離子體的性能提升速度比CPU芯片還要快。

托卡馬克等離子體的性能提升速度比CPU芯片還要快（圖片來源：作者提供 ）

目前托卡馬克裝置所獲得的等離子體參數(shù)距離聚變堆條件還有一步之遙。其它的磁約束裝置，除了仿星器與球形托卡馬克之外，在參數(shù)上都還有量級上的差距。

上世80年代，國際上建成了三個較大的托卡馬克裝置：美國的TFTR，歐盟的JET和日本的JT-60U[4]。

（圖片來源：作者提供 ）

1996年，日本JT-60U達到等效能量得失相當，即聚變產(chǎn)出的能量超過了輸入的能量；這個裝置曾達到4億度的中心離子溫度[5]。1997年，JET獲得聚變功率16.2兆瓦[6]。這些實驗證實了核聚變作為能源原理上的可行性。

上世紀80年代，國際上也啟動了ITER計劃[7]。幾個大國聯(lián)合起來建造一個很大的超導(dǎo)托卡馬克裝置，計劃產(chǎn)生超過Pfusion~500兆瓦的氘氚聚變功率，實現(xiàn)產(chǎn)出的能量10倍于輸入的能量（聚變增益Q~10），演示聚變能成為未來商用清潔能源的可行性。ITER是僅次于國際空間站的第二大國際科技合作項目，是中國參加的最大的國際科技合作項目。

國際熱核聚變實驗堆（圖片來源：http://www.iter.org/）

強磁場：

人類獲得緊湊型商用聚變堆的關(guān)鍵

磁約束聚變裝置主要靠磁場來約束高溫等離子體。托卡馬克聚變堆單位體積的聚變功率密度正比于磁場強度的4次方[8]。

如果磁場強度上不去，就只能通過提高體積的方式來獲得所需的聚變功率?？梢?，提高磁場強度B是縮小托卡馬克聚變堆尺寸R的關(guān)鍵。但是超導(dǎo)臨界電流密度的限制使得低溫超導(dǎo)線圈所能達到的最高磁場強度非常有限。低溫超導(dǎo)體，如鈮三錫和鈮鈦，當電流密度超過一定的值就會失去超導(dǎo)態(tài)，這使得鈮三錫和鈮鈦磁體分別最高只能達到Bmax=13.5T和8T。此外，低溫超導(dǎo)材料需要工作在4.5K以下的極低溫條件下，只能用液氦冷卻，而氦是一種較為稀缺的資源[4]。

ITER采用鈮三錫超導(dǎo)磁體，等離子體中心最高磁場強度只能達到B0=5.3T，這時線圈的高場側(cè)達到13T [7]。因此，要達到500兆瓦聚變功率的目標，科學(xué)家不得不將ITER設(shè)計得很大，等離子體大半徑R=6.2米。而托卡馬克裝置的成本，除去核系統(tǒng)，大致正比于R3。因此，ITER的成本降不下來?？梢?，正是因為ITER采用了低溫超導(dǎo)線圈，才如此龐大和昂貴。要降低成本，減小裝置尺寸，最有效的辦法就是增強磁場。

用銅線圈可以實現(xiàn)更強的磁場，最高磁場強度Bmax可超過20T，等離子體中心磁場B0可達~10T。但是因為銅線圈通電會發(fā)熱，在最高參數(shù)下每次只能運行20秒左右的時間，因此銅線圈托卡馬克只能短脈沖運行。

美國麻省理工學(xué)院（MIT）前年關(guān)掉的一個用液氮冷卻的銅線圈小型托卡馬克Alcator C-Mod可以達到11T[9]。這個裝置雖然小，但是保持著磁約束等離子體壓強的世界紀錄。

Alcator C-Mod（圖片來源：維基百科）

高電導(dǎo)率鈹銅的市場價格大約是200元/公斤。而低溫超導(dǎo)鈮三錫線圈的結(jié)構(gòu)和工藝相對復(fù)雜很多，價格大約是1萬元/公斤。液氮冷卻的銅線圈是實現(xiàn)強磁場托卡馬克最廉價的方式，可以以最低的成本達到核聚變“點火”所需的等離子體參數(shù)條件，為開展燃燒等離子體物理研究提供實驗平臺。

從系統(tǒng)復(fù)雜度的角度，銅線圈托卡馬克比低溫超導(dǎo)托卡馬克低一些，因此發(fā)生故障的概率也低一些。但由于其只能短脈沖運行，因此注定只能作為實驗裝置。相比而言，超導(dǎo)線圈的電阻很小，消耗的能量很低，只有超導(dǎo)裝置才能產(chǎn)生凈余的能量，并可以實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運行。未來聚變堆需要穩(wěn)態(tài)運行，持續(xù)不間斷地向電網(wǎng)輸送電能。因此超導(dǎo)裝置是核聚變作為能源應(yīng)用的必由之路。

高溫超導(dǎo)強磁場線圈：

商用聚變能不再遙遠

通過上面的介紹，可以看到，磁約束聚變界面臨這樣一個局面：低溫超導(dǎo)線圈的磁場強度限制使得不得不建ITER這么龐大和昂貴的裝置；而可以達到10T強磁場的廉價銅線圈裝置卻不能作為能源，只適合作為實驗裝置和聚變中子源。在山窮水復(fù)疑無路的時候，核聚變研究領(lǐng)域之外的一場新技術(shù)變革正在悄然來臨，這就是高溫超導(dǎo)強磁場技術(shù)。它將徹底改變磁約束聚變的游戲規(guī)則。

高溫超導(dǎo)導(dǎo)線的工作溫度、臨界電流密度、最高磁場強度參數(shù)范圍改變（圖片來源：[8]）

高溫超導(dǎo)導(dǎo)線的工作溫度、臨界電流密度、最高磁場強度參數(shù)范圍比低溫超導(dǎo)導(dǎo)線有了很大的擴展[11]。不僅可以工作在更高的溫度下，而且當在低溫下工作時，可以達到更高的電流密度，因此可以實現(xiàn)更強的磁場。

采用更強的磁場不僅可以減小聚變堆的尺寸和造價，而且還有其它多方面的好處[11]。

強磁場可以使托卡馬克運行在：

較大邊界安全因子條件下，將顯著降低等離子體發(fā)生大破裂的風(fēng)險，大破裂是托卡馬克的主要弱點之一；

小幅度邊界局域模（ELM）高約束模式下，避免大幅度ELM產(chǎn)生的瞬態(tài)熱負荷對偏濾器靶板的侵蝕；

較高密度條件下，有利于提高聚變功率和對高能粒子的約束，并有利于偏濾器進入脫靶狀態(tài)，降低熱流對靶板的侵蝕；

先進托卡馬克（AT）運行模式下，有利于實現(xiàn)高性能穩(wěn)態(tài)運行。

2019年6月12日，Nature期刊報道美國國家強磁場實驗室用YBCO高溫超導(dǎo)和銅的混合磁體實現(xiàn)了45.5T的穩(wěn)態(tài)強磁場世界紀錄[12]。而MIT一直沿著緊湊型強場托卡馬克這條主線發(fā)展，最先看到了高溫超導(dǎo)強場這一發(fā)展趨勢。雖然Alcator C-Mod裝置被關(guān)掉了，但是近兩年MIT積極探索了一系列的創(chuàng)新技術(shù)[15]，比如：基于二代高溫超導(dǎo)帶狀導(dǎo)線REBCO，設(shè)計了聚變功率Pfusion>50兆瓦、聚變增益Q>2的小型聚變試驗堆SPARC[16]和聚變功率Pfusion>200兆瓦、聚變增益Q>10的聚變商業(yè)示范堆ARC[14]等。

從ITER到ARC到SPARC，反應(yīng)堆的尺寸一直在縮?。▓D片來源：[8] ）

SPARC設(shè)計磁場B0=12T，等離子體大半徑只有R=1.65米，等離子體體積只有11立方米，與EAST差不多，是ITER的1/80。雖然這么小，但是預(yù)計可以實現(xiàn)燃燒等離子體。MIT得到了私營公司Commonwealth Fusion Systems（CFS）的資助。一期投資8千萬美元，主要用于研發(fā)高溫超導(dǎo)線圈[11]。

ARC設(shè)計磁場B0=9.2T，等離子體大半徑R=3.3米，等離子體體積140立方米。預(yù)計造價55億美元。之所以這么貴，主要是因為目前高溫超導(dǎo)導(dǎo)線還很貴。

未來的中國超導(dǎo)聚變裝置

近幾年，高溫超導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展迅速。不僅美、日、韓、德有多家企業(yè)，國內(nèi)，上海超導(dǎo)和蘇州新材料研究所都已研制成功千米級二代高溫超導(dǎo)帶狀導(dǎo)線REBCO，并實現(xiàn)了商業(yè)化銷售。但目前價格還比較貴，大約200元/米。高溫超導(dǎo)線圈的成本比低溫超導(dǎo)線圈高了一個數(shù)量級。但因為高溫超導(dǎo)有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，如直流輸電、超導(dǎo)磁懸浮列車、超導(dǎo)電機、超導(dǎo)發(fā)電機、超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)故障電流限制器、超導(dǎo)電纜，以及高磁場核磁共振成像NMR/磁共振成像MRI等，市場需求潛力巨大。

考慮到目前高溫超導(dǎo)線圈的技術(shù)水平和成本，比較適合建造小型的托卡馬克、仿星器或磁鏡等穩(wěn)態(tài)磁約束聚變實驗裝置，瞄準穩(wěn)態(tài)運行目標，并及時啟動高溫超導(dǎo)聚變堆設(shè)計的國家計劃。未來10年，隨著高溫超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展和成本的降低，用高溫超導(dǎo)線圈建造聚變堆將變得現(xiàn)實。

我國的“人造太陽”（EAST超導(dǎo)托卡馬克）（圖片來源：新浪網(wǎng)）

我國的可控?zé)岷司圩儗嶒炑b置“東方超環(huán)”（EAST超導(dǎo)托卡馬克）的科研人員近期發(fā)現(xiàn)了Grassy ELM高性能穩(wěn)態(tài)運行模式的形成機理[G. S. Xu et al., PRL 122, 255001 (2019)]。有望將這種運行模式應(yīng)用于未來強磁場穩(wěn)態(tài)托卡馬克核聚變反應(yīng)堆，解決瞬態(tài)熱負荷問題。

參考文獻:

[1] 朱士堯, 核聚變原理 (中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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) http://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] 萬寶年 and 徐國盛, 科學(xué)通報, 2157 (2015).

[19] 萬寶年 and 徐國盛, Chinese Science Bulletin 60, 2157 (2015).

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