[科普中国]-聚变技术

发展历程

二十一世纪人类面临着人口增长、能源短缺、水资源缺乏、环境恶化等危机。据估计，在二十一世纪的上半页，人类就可能感到能源短缺的巨大压力。人类未来能源结构将是多样性的。但是，人们认为，聚变能源在解决能源问题上有巨大潜力，在人类能源战略中，聚变能源将起着不可取代的作用。

半个世纪以来，聚变研究取得了巨大的进展。但是，在1992年的欧洲SOFT会议开幕式上，Umberto Colombo就指出:“虽然聚变研究取得了重要的进展(91年11月JET的首次实验从聚变得到可观的能量就是说明)，我们并未缩短到达商用聚变堆的距离。”

从1996年以来，美国执行其重建聚变能科学计划3，把聚变研究从围绕ITER的技术研究转到基础科学研究上来。1998年，美国正式退出了ITER国际聚变研究计划。从此，美国聚变界从1996年起，研究工作打破了托卡马克主导一切的局面，全面活跃。1999年7月，来自美国和世界的350名聚变科学家参加了历时两周的会议，讨论聚变所有的重大问题，为加强磁聚变和惯性聚变之间、科学和技术问题之间、聚变的基本理解和应用之间相互作用提供了一个重要的论坛。确认，磁约束聚变的下一个前沿课题是燃烧等离子体科学，并且认为，从技术上讲，托卡马克为进行燃烧等离子体实验已做好了准备。几年来，美国的聚变技术研究得到了很大发展，并提出了不少创新慨念，为下一步聚变装置和向着未来聚变堆前进提供了重要机遇。

中国是一个人口众多、能源资源相对匮乏的发展中的大国，开发聚变能是中国能源战略的重要组成部分，是中国能源发展规化的第三步。我国的聚变研究与世界聚变发展水平相比，投入低，存在很大差距，这种局面短期内不会有根本的改观。时刻关注世界聚变研究和聚变技术的发展，增强储备，从而为不断提高我国聚变研究的创新能力提供有益的帮助，这对我们的聚变事业在未来的进展有重要意义。

核聚变核聚变4（nuclear fusion），又称核融合、融合反应、聚变反应或热核反应。核是指由质量小的原子，主要是指氘，在一定条件下（如超高温和高压），只有在极高的温度和压力下才能让核外电子摆脱原子核的束缚，让两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起，发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核（如氦），中子虽然质量比较大，但是由于中子不带电，因此也能够在这个碰撞过程中逃离原子核的束缚而释放出来，大量电子和中子的释放所表现出来的就是巨大的能量释放。这是一种核反应的形式。原子核中蕴藏巨大的能量，原子核的变化（从一种原子核变化为另外一种原子核）往往伴随着能量的释放。核聚变是核裂变相反的核反应形式。科学家正在努力研究可控核聚变，核聚变可能成为未来的能量来源。

聚变相关技术以下叙述发展聚变技术的机遇，从等离子体技术开始，这些技术使现有的和近期的等离子体实验能达到它们的性能目标，并且讨论为聚变研究长期目标而发展的核技术(等离子体腔体技术、聚变材料和系统设计)的潜力和进步。这些技术提出了像功率抽取、氚增殖、抗辐照和低活性材料，以及有吸引力的聚变反应堆设计等问题5。

等离子体加热和电流驱动为了把等离子体加热到发生聚变的温度并使等离子体进入先进运行模式（反剪切、MHD稳定、湍流抑制），加热和电流驱动技术是非常重要的。在发展和使用1MW级、110GHz.高功率回旋管、发展170GHz电子回旋加热/电流驱动的原型器件，以及用于离子回旋加热ICH和电流驱动(通过直接的电子加热)的单元功率>1MW的快波天线阵方面，都取得了重大进展。由于当前计划的重点是提高等离子体性能和降低下一步方案的费用，这些加热和电流驱动技术发展的着重点将集中在改善功率密度(ICH发射器的更高的电压限制)、更高的回旋管单元功率( 2 ~ 3 MW )、提高以多级抑制集电极为特征的回旋管的效率、ICH调制和匹配系统(它要忍受快速的变化),以及稳态回旋管和主动冷却ICH天线,这些技术将用于长脉冲燃烧等离子体和下一步方案。

加料技术为了达到聚变级的等离子体参数并控制等离子体参数达到所要改善的性能( 为了高反应率而使得密度分布峰化和通过抑制湍流来减少输运 )，加料技术是另外一项重要的技术。最近成功的例子包括，DIII-D装置在密度极限以上的持续运行、具有改善密度剖面峰化的高场侧发射、内输运壁垒的产生、运行在1.5km/s速度范围的稳态弹丸注入器的发展，以及在原理证明实验中用加速的紧凑环( CTs )对芯部加料的演示。弹丸加料技术最近也用于改善托卡马克中的大破裂效应( 潜在的严重的非正常事件 )，用加进大块低Z和高Z材料使处于垂直不稳定的等离子体电流熄灭。据估计，在聚变能发展层次上，限制托卡马克破裂会提高偏滤器等离子体面对部件的寿命两倍。降低破裂的严重性可以允许先进托卡马克运行于接近它的最终潜力。对下一步装置的等离子体运行加料的决定性的问题是需要剖面峰化的程度( 以便更高密度的运行、改善反应率和约束 )和满足那些需要,如 弹丸速度、CT密度和CT沉积物理 等的技术需求。

等离子体面对部件和等离子体与材料的作用高性能(高热通量、低腐蚀)PFC的成功发展，和对等离子体与材料相互作用的理解是聚变能发展的中心问题。对等离子体与材料表面相互作用的理解和控制，在建立边沿区等离子体条件中有重要作用，这些条件会导致边缘输运壁垒(H模)的发展。并且，低腐蚀等离子体面对部件的发展将会强烈地影响部件的寿命，从而影响聚变动力的费用。最近取得的重大进展包括：对打在耐熔的高原子量材料上的网状的偏滤器腐蚀的认识、混合材料和共沉积炭－氚薄膜、创新的壁处理技术的发展、稳态热交换率达10到30MW/m2水平的水冷PFCs(Be/Cu和W/Cu)等。自由表面液体偏滤器研究计划(ALPS)最近提议对主动热交换的优越性加以研究，而这里可不管PFC寿命极限。在这种情况下,需要提出的关键问题是发展更高表面热通量的PFC(目标为50MW/m2)，从而不需要周期性地维修来更换等离子体面对部件(即研究液体表面或氦冷非溅射耐熔金属)。与托卡马克实验进展相协调，正在进行的研究是通过辐射使热通量更平坦地分布而不发生等离子体约束性能的退化。

磁体技术提供约束磁场的超导磁体系统，在整个聚变系统中是一个昂贵的子系统，占了长脉冲或燃烧等离子体下一步MFE装置费用的主要部分。在大型直流磁体和用于ITER的脉冲Nb3Sn磁体(磁场强度达13T)发展中,近来取得了引人注目的进展。最近在日本成功地开始了ITER中心螺管试验，其重量达150吨，是世界上最大的脉冲超导磁体。超导磁体费用的进一步降低，可能由采用更高性能(更高的电流密度和提高失超保护能力)的超导体股线、更高强度的结构材料、和具有更高性能的抗辐照绝缘体(这目前限制了磁体系统的循环寿命)来实现。高温超导体(可以用于聚变的一定场合，如磁体引线)的发展也取得了引人注目的进展。用于重离子束聚变的四极聚焦磁体也占有重离子驱动器的大部分费用。大型室温空腔四极阵列的发展已经被确定为在发展可以花得起钱的下一步重离子聚变系统的一个关键元件。

目前的任务是改善制造技术；发展高温超导体；发展先进的高场低造价超导体和常温导电材料、先进的结构材料和导管材料、改进导体接头，以及先进的失超检测和保护系统等。

高温超导体技术目前被用于ARIES-AT慨念设计中。L. Bromberg and j. H. Schultz ( PSFC, MIT )日前对ARIES-AT的高温超导磁体有关问题进行了讨论。他们认为，HTS材料是不贵的，$200/kg 。如果HTS为$1000/kg ，并且结构的费用为$40/kg ，那么磁体的费用就是～$50/kg 。他们还讨论了高温超导磁体的工艺问题。

等离子体腔体技术等离子体腔体技术研究的目标是扩大工程科学的知识基础、提供创新慨念、并为聚变能的实用、经济和安全利用解决一批关键的可行性问题。这一工作将鉴别和探索内部部件的新慨念，大大改进有吸引力的聚变能系统方式。其R&D的重点放在那些具有高功率密度、高转换效率、低事故率、能更快速维护、更简单的工艺和材料要求等的慨念上。当前开展了对液体壁及其相关问题的系统研究。M. Abdou指出，聚变堆的单位电价

其中C和Pfusion－需要高功率密度。这要求高性能的等离子体和新的功率汲取技术；

Replacement cost－需要低的事故率；

Availability～－这需要低的事故率，创新的功率汲取技术，并且需要短的维修时间，简单的位形约束，更容易维修内部部件的技术。

h th――这需要高温能量汲取。

M－能量倍增系数。

由此公式可以看出发展高功率密度等离子体、高温材料和新工艺的重要性。

R&D工作将进行到底，以建立评价最有前途的创新慨念所必须的知识基础。这些R&D包括在工程科学(例如流体力学、MHD、传热、热力学、等离子体－材料的相互作用、核物理和粒子输运)关键领域的理论、模拟、实验和分析，以及材料、工程、安全和其他技术学科。R&D要作到对那些主要通过国际合作最近用于系统研究的慨念的技术限制的理解和扩展。要评估建造等离子体中子发生设施(Plasma-based Neutron-Producing Facility)的必要性问题，这种设施用来试验和演示先进技术慨念(在高功率密度下，进行热提取技术的试验、积累事故率方面的数据和可维护性方面的数据)的工程可行性。

在创新慨念方面，近期的工作将确认、分析和评估新的、高性能先进技术慨念。这一工作在APEX( Advanced Power Extraction )计划(强调高功率密度的热交换技术)下进行。APEX计划将考虑所有的磁约束慨念(不限于托卡马克),并包括与等离子体学术界密切的相互联系和系统研究。APEX 由Mohamed Abdou 领导，研究工作自1999年起全面展开，第一份内部研究报告在1999年底前发表。1996年发表的“重建的美国聚变能科学研究计划的战略安排”中，其三大政策目标之一就把“发展聚变科学、技术和等离子体约束作为国内研究计划的中心课题” 。创议APEX研究计划对聚变动力可能带来“革命性”的影响。近期工作的一些内容包括：

在磁场效应和外加热条件下，自由层流和湍流射流的研究。 在凹形表面流动的层流和湍流流体的稳定性。 在液体中形成空洞贯穿的可行性。 在液体金属流体中涂绝缘材料的可行性。 候选等离子体面对液体的溅射和基本表面特性。 氦冷耐熔金属聚变动力堆心部件。 美国正在进行的另一项研究计划是ALPS ( Advanced Limiter-divertor Plasma-facing System )，其目标是评估高热通量汲取慨念。它要发展一种系统能够导致提高功率密度、部件的寿命和功率转换效率，并且可能为等离子体边缘控制和粒子抽运作准备。液体表面的限制器和偏滤器提供了潜在的重大优势。其近期工作放在等离子体边缘模拟、候选液体的实验室研究和热流体力学方面，包括MHD效应。完成在等离子体装置，如DIII-D( DiMES )和CDX-U中的试验，提供慨念评估所需要的数据，下一步工作是完成规模更大的整体试验、开始慨念考察试验和全面的安全分析等。ALPS的关键问题是：液体表面对等离子体边缘区和等离子体芯部性能的影响、瞬态/破裂事件、达到高功率密度，以及表面对DT/He扑获与释放等。

IFE腔体和靶技术R&D在过去20年的设计研究中，腔体部件的许多慨念已经取得了进展。这些进展包括有中子学厚度液体或细粒层的腔体，它使结构材料的壁能够防护中子、X射线和靶碎片等。还有第一壁具有薄液体层的腔体设计，它也可以防护X射线和靶碎片。还有一种是干壁腔体，其中充满气体以防止X射线和靶碎片。后两种类型，干壁和湿壁，都有结构材料做的第一壁，必须承受中子流。当前，比较好的方法是，(1)具有间接驱动靶和中子学厚度液体腔的重离子驱动器，(2)具有直接驱动靶和气体保护的干壁腔体的激光驱动器。

一般的问题包括：(a)壁的保护，包括液体水力学和流的控制，并包含固体的融化、损伤和寿命；(b) 随着舱点火和燃烧而来的腔体动力学和可达到的洁净率；(c)靶射入腔体周围环境；(d)束到靶的传播；(e)最终聚焦的屏蔽和磁、光学、热和中子响应；(f)冷却介质化学，侵蚀，润湿，和氚回收；(g)固体材料的损伤；(h)第一壁、空腔和冷却介质选择的安全性与环境的影响等。IFE腔体每年要求1－2′ 10个低温靶，以10Hz的速率注入到运行温度为500－1500靶腔体的中心，腔体也可能有液体壁。靶必须以高速注入到腔体中，典型的是沿轨道前进，然后打在飞行物上with the driver beams。用于直接驱动和间接驱动IFE电站的低温靶的操作、注入和跟踪的基本设计研究，作为所有IFE设计研究的组成部分，业已进行。

惯性约束聚变靶的心脏是球形胶囊,其中包含D-T。ICF舱目前用了一种方法，但是这种方法不能完全推广到IFE。以前用于ICF的微型胶囊( microencapsulation )加工方法看来可能用于IFE靶生产，如果其球形度和不均匀性可以改进，并且胶囊尺寸可以增大的话。微型胶囊也能用于生产泡沫壳，有几种IFE靶设计可能需要这种泡沫壳。ICF空腔目前是用电镀方法做的，把空腔材料电镀到阴极上，阴极材料被溶解，形成空的空腔壳。这种技术不能推广到大量生产。然而，对于IFE空腔生产来说，模锻、压铸和喷射铸造法会有发展前途。

聚变材料聚变材料计划(the Fusion Materials Program)的长期目标是发展结构材料，它将使聚变发展成为安全、环境上可以接受、经济上有竞争力的能源。这个目标将通过理论、实验、模拟的科学基础计划来实现。这些工作提供对在聚变环境下候选材料行为的理解、确认其极限特性和达到改善性能的方法，通过混合物成分和微观结构的控制，并从事在聚变环境中可以接受的合金和陶瓷材料的发展。另外，这些工作还为生产、制造和系统设计的需要提供材料技术。

在美国有一个专门的聚变先进材料计划( Advanced Materials Program )。其任务是，“为那些能使聚变成为一种安全、环境上可以接受和经济上有吸引力的能源的材料发展材料科学基础。”为创新材料和制造方法的发展而建立材料科学基础将能改善性能、增强安全和减少整个聚变系统的费用，从而使聚变达到它的全部潜力。

材料系统的选择是根据材料的关键性能目标。决定那种材料会具有能力达到这些性能目标，是要通过系统设计研究( System Design Studies )和聚变材料计划任务之间的研究协调来进行。现已判断有三种材料可发展成为聚变系统的结构材料：SiC复合材料、钒基合金和铁素体钢。高温耐熔合金最近也被放入慨念设计评估中。铜合金，由于其突出的热导和电导性能，在近期应用中是有决定性的重要作用，并且将最有可能在聚变动力系统中找到专门应用，包括常温导电线圈。由于在材料科学广泛领域中的进展，或新设计慨念的进展的结果，在未来可能出现考虑使用新材料系统的机会。新慨念设计允许对有可能满足性能目标的材料系统加以另外的选择。美国的材料研究近期将继续把重点放在低活性材料的科学研究上。这样的低活性材料具有高性能，并且可以承受长期暴露于高能粒子和电磁辐射环境。

MFE和IFE用的聚变材料必须工作在非常苛刻的环境中，这种环境包括高温、化学相互作用、随时间变化的热和机械负载，以及强中子流等的不同组合。在发展有吸引力的聚变动力中所面临的主要材料问题之一是强中子流的影响，来自DT反应等离子体的第一壁中子镨含有大量14Mev成分。这不仅导致高的原子位移率(在中子壁负载2MW/m2 时，位移率达～20dpa/yr )，而且业引起比裂变堆更高的嬗变率。

对嬗变产物He和H要给予特别的注意，但是其他杂质也是重要的。人们已熟悉嬗变对材料性能变化的影响，例如He在肿胀行为中的作用。由于对材料物理和机械性能的影响，以及材料活化的产生，中子辐照就成为一个特别重要的问题，而用现有设施来对这些问题进行研究是最困难的。

目前，裂变堆是研究中子辐照对聚变材料影响的主要手段。然而，材料在裂变场合所受的影响远不同于聚变中子能镨的影响。最近，用许多不同的技术来形成聚变环境，但是，最终还是需要发展14Mev强中子源，以验证聚变材料是否合格。国际聚变界已建议用点中子源( Point Neutron Source ),这是一个基于D-Li相互作用的加速器设施，来填补这一作用。与点中子源对应的是体积中子源( Volume Neutron Source )它可以为聚变系统提供有效的经验数据，以及进行部件试验和某些材料试验的能力。

聚变系统研究系统设计指导着美国聚变的研究和发展，使其朝着有吸引力的、可以实现的终端产品前进，并在重大决策时刻提供所需要的技术信息。这一重大作用是通过聚变装置的设计、有吸引力的聚变产物方式的发展、以及战略计划安排和预测来完成的。

在指导聚变R&D方面和为聚变计划指明发展的重点――即需要发展那些有用产物方面，商用聚变设施的慨念设计是极其重要的。慨念设计为把所有的物理和技术问题可以综合在一起提供了保证。这个综合要在物理、材料和技术各方面提出的限制范围内，从而形成一个在经济上、环境上有吸引力和技术上可行的系统。通过对物理和技术限制之间相互作用的研究，规定优化目标，并确认那些可以作为更重要的领域，反过来再指导R&D努力的方向。这些研究也为“roll-back planning”提供了一个论坛。

像燃烧等离子体实验、工艺和材料试验等聚变试验设施的设计都是为支持聚变研究计划的决策提供数据。这一部分研究计划为重大问题的不断分析、为所需物理和技术数据基础的持续累积及其限制的确认、为工程和物理设计分析能力的发展，以及为由物理－技术界面产生的系统问题的评估等作准备。这部分研究计划把广泛的国内和国际的聚变发展活动联系起来，并探讨在性能、费用和技术要求方面具有重大变化的方案。这些研究也为“rool-forward planning”提供了一个论坛，并有助于确认近期科学研究与必要的技术发展之间的合理平衡。

作为一项商业产物，聚变的发展是一项重大挑战，其原因部分是技术问题，部分是由于有限的资源，部分还在于与其他能源方式的竞争。战略计划安排和预测研究有助于发展一个描述准则 ，以回答聚变必须做点什么才会占有市场空间。在全球可持续发展能源战略中，聚变影响的社会经济研究（Socioeconomic Studies）提出了聚变在解决全球能源问题方面，如像Rio和Kyoto协议所强调的温室气体和经济可持续发展问题，所具有的潜力。聚变非电应用( 或兼发电 )的研究将发展聚变的新用户和新的聚变产物。系统研究也有助于规化聚变发展路线，包括对试验设施的要求、如何使其费用和聚变发展风险最低、以及如何压缩实现聚变能的时间表等研究。

我们有必要在此对美国进行的先进设计研究，以及对聚变中子源的探讨等加以比较详细的叙述。

所谓先进托卡马克必须1，在慨念上有创新的改善：达到高功率密度。这要求改善等离子体的稳定性；装置要紧凑。这要求改善等离子体约束；实现稳态运行。这要求提高等离子体自举电流份额。为此，必须发展与此相适应的先进技术和材料。2，通过等离子体的形状、剖面和MHD反馈稳定的研究，进行等离子体物理的自洽优化。美国对先进托卡马克反应堆设计进行了多年全面的系统研究。

国家聚变电站研究计划(National Fusion Power Plant Studies Program ( ARIES ))现由Farrokh Najmabadi(UCSD)领导。先进设计计划对托卡马克研究的发展已经产生了重大的影响。自1986年以来，ARIES研究计划早已完成了TITAN、PULSAR( 脉冲托卡马克 )、SPPS( 仿星器 )、ARIES-I、ARIES-II/IV、ARIES-III、Starlite Demo等设计研究。近期完成的研究工作有ARIES-RS反剪贴托卡马克和ARIES-ST球环托卡马克。当前的工作重点放在先进托卡马克ARIES-AT上。并将很快对IFE系统展开全面研究。

ARIES－RS动力电站可以净产电力1000MW。ARIES－RS的等离子体性能经过了优化，能达到高的等离子体压力和高的自举电流份额(90%)，这一切与所要求的平衡状态下的电流－密度分布完全一致。电流驱动分析表明，稳态运行需要约80MW电流驱动功率。这个设计使用了锂冷包层(610的冷却介质出口温度和Rankine蒸汽循环)。钒在高温区的使用，使余热达到足够低的水平。研究表明，在最坏的情况下，失去冷却事故仅导致少量放射性核素的释放，远低于标准要求和正常值。包层做成扇形块，电站运行期间，所有扇形块可以通过大的水平窗口迅速移出，随后在热室中进行拆卸。简单的包层设计，它有少量的冷却通道和结构中的低机械应力，为反应堆运行达到更高的可靠性提供了一个良好的基础。表列出了ARIES-RS的参数。

ARIES-ST的研究确认了球环托卡马克研究的几个关键方向：朝着具有>95%自举电流份额的ST平衡优化继续前进(ARIES-ST设计中，(=54%，k=3 )；发展了可行的中心柱设计；已经确认了几种等离子体电流启动方法；电流驱动方式是受限制的；输出电功率1000MW的 ST电站在尺寸和费用上可以与先进托卡马克电站相比较。表列出了ARIES-ST的参数。

ARIES-AT先进托卡马克反应堆，其设计的主要特点考虑到了以下四个方面：更高性能的物理参数，发展了具有比ARIES-RS高出50%的b 值的平衡，并减少了电流驱动功率；更高性能的磁体，应用高温超导体；在与ARIES-RS相同的功率密度下，优化了设计，并且用更高的b 来降低磁体的峰值场强；高性能的包层，使用新型高温SiC合成材料/LiPb包层设计，达到～60%的热转换效率；通过先进制造技术来降低部件的单位造价。表列出ARIES-AT的参数。

整个先进设计计划对托卡马克研究产生了重大影响。在物理方面，引人了等离子体b 和自举电流之间的折衷；表明第二稳定区的真正好处是降低电流驱动功率而不降低b ；论证了(1)在脉冲托卡马克中，等离子体b 是受欧姆剖面约束的限制。(2)脉冲和稳态托卡马克的物理在本质上是一样的。(3)由于技术限制，稳态托卡马克不执行脉冲运行；反剪切平衡适于聚变电站。明确确定，ARIES-RS的设计思想已成为先进托卡马克 (DIII-D,C-Mod, FIRE) 研究的目标，1999年7月的Snowmass会议也确认，任何一个燃烧等离子体实验装置必须具有先进托卡马克能力。在技术方面，作为一种高性能聚变材料，引人SiC合成材料；考察了用气体注入和杂质辐射以减少偏滤器中的热负荷；创新的超导磁体设计；;论证了RF(特别是快波)对电流驱动的好处与折叠波导；先进制造技术的采用，它彻底使部件的单位造价降低；强调聚变安全和环境问题。目前，在聚变工程方面取得的结果，使材料SiC得到世界规模的研究，刺激了RF电流驱动实验，对在聚变材料和腔体技术方面的研究也产生了直接影响。

先进设计计划对新慨念研究也产生了重大影响，如：对球环，发展了自洽的稳定性和高b 电流驱动计算和高自举电流ST平衡，表明，大的等离子体拉长是必需的，电阻型ST中心柱可以在电站条件下运行。对于仿星器，发展了新的仿星器磁位形，追求建造更大尺寸的装置，已引起在美国研究紧凑型仿星器的更大兴趣。对于反场收缩，确认需要运行高辐射等离子体芯、极向偏滤器和有效的电流驱动系统，紧凑型RFP是可以实现的。目前，ZT-40、ZT?/FONT>P用于这些实验，已修改了ZT-H的设计和实验计划来研究这些问题。

还值得一提的是，最近研究认为，未来的聚变电站功率应大些，不是1GW，而是3GW。这样，聚变电价要低得多，使聚变能更具竞争力。

表 近期ARIES 聚变反应堆设计参数

反应堆 ARIES-ST* ARIES-RS ARIES-AT

大半径 (m) 3.2 5.5 5.2

小半径 (m) 2.0 1.4 1.3

环径比 1.6 4.0 4.0

拉长比 3.4 1.9 2.2

三角度 0.64 0.77 0.86

等离子体电流 (MA) 30.8 11 13

轴上环形磁场 （T） 2.14 8 6

TF线圈峰值磁场 (T) 7.6 16 11

电子密度 (1020/m3) 2.74 2.1 2.25

ITER-89P定标率倍数 1.83(ITER-93H) 2.3 2.7

环 beta ( % ) 50 5.0 9.2

电流驱动功率 （MW） 31 81 25

峰值/平均中子壁负载 (MW/M2) 6.0 / 4.1 5.4 / 4 4.7 / 3.8

聚变功率 （MW） 2,980 2,170 1,720

热效率 0.46 0.59

毛电功率 （MW） 1,000(Pnet) 1,200 1,136

循环功率份额 0.32 0.17 0.12

电价 (mill / KWh) 81 76 53

*注：TF线圈电阻功率325MW。

聚变中子源近期应用的评估研究也是系统研究的一项重要内容。目前，国际聚变研究规划正走向一个十字路口，距离实现纯聚变的商用化还要走很长一段路。美国聚变界正在进行聚变中子源研的探讨，期望这个问题的研究结果能促进聚变能早日付诸应用，从而为促进聚变研究发展注入活力，这也是世界聚变界几十年来的愿望。

在聚变研究计划中， 人们很早就考察了聚变的非电应用，其中包括：（1）增殖燃料混合堆（抑制裂变包层）和产生能量的混合堆（聚变驱动一个次临界包层）；（2）聚变中子源用于裂变堆放射性废物的嬗变；（3）聚变中子源在聚变材料试验和工程方面的应用。最近的考虑范围增加了以下新内容：生产氚、核武器被拆除后钚的燃烧处理、生产放射性同位素、放射线治疗疾病、生产氢和爆炸探测等。最近研究的特点，一是把应用按中子源强度划分，即10～10n/s（低端）到10～10n/s（高端）。对高端10～10n/s中子源研究所考虑的等离子体是基于ITER物理、先进模式托卡马克和球环等离子体。另一个特点是在燃料循环方面，至今大部分研究都是考虑D－T燃料循环，但有些研究考虑了D－D－T燃料循环。虽然D－D－T燃料循环的核反应率比D－T燃料循环低，但它具有以下优点：（1）对氚增殖的需求减少了；（2）提供了比D－T燃料循环高的单位聚变功率中子数。

对大部份工作而言，现有的聚变中子源研究都处于概念研究水平，至今还没有详细而自洽的设计，包括工程、经济和环境问题，而且也设有详细的发展计划。

根据上述情况，美国ARIES研究组发起了对聚变中子源的系统研究，其目标集中在高端10～10n/s中子源方面。研究的目的是评估做为聚变能研究的近期应用潜力和竞争性。这项研究从概念定义开始，其主要研究内容如下：

（1）对确认为最有用的应用和产品进行评估。 （2）与裂变和加速器研究进行比较，以了解做为中子源应用的裂变反应堆和加速器的潜力。 （3）系统研究。对做为聚变中子源应用的ITER-based托卡马克、先进模式托卡马克和球环的性能与衡量标准进行评价。这些研究将包括对D－T和D－D－T燃料循环的评估。 这里的衡量标准包括：费用（投资，每摩尔的中子费用）；每年产生的总的中子摩尔数；产品的价值；从当前物理数据外推的程度；系统的复杂性；环境、安全和健康影响；发展计划的时间框架和费用；与一定应用有关的政治问题（如核武器等）。 （4）对建议的各种中子源应用概念的工程问题和核特性进行搜集、整理和评估。这些中子源概念包括聚变、裂变和加速器系统。 （5）对聚变中子源应用的环境、安全和许可证相关问题进行评估。这些应用如钚处理和放射性废物嬗变。 在上述概念研究取得结果以后，希望能开始设计阶段的工作，以进一步考察具体的目标，其中包括制定发展计划。

不久以前，在一九九九年七月十二日至七月二十三日的美国聚变夏 季研讨会[3]上，能源问题工作组的报告提出了聚变的三项非电应用：（1）聚变 / 裂变应用的中子源；（2）生产氢过程中巨大伴生热能的利用；（3）深空间（星际）飞行推进器。作为星际飞行推行器要求输出功率1－8 GW，采用先进燃料D－3He。

关于中子源在聚变/ 裂变方面的应用，报告列举了的增殖、钚和其它锕系元素的燃烧和贫化铀的燃烧。这类应用对聚变的要求大致是：

（1）低Q（1－5）； （2）稳态运行或高的运行效率； （3）接近动力电站的工艺。 其评价准则主要包括： （1）中子的成本； （2）中子能谱的有效性； （3）Keff值。 关于这种中子源的评估、存在的问题和发展机遇，报告主要列出了以下几点：

（1）其市场为核动力工业（如用户DOE的废物处理）； （2）与这种中子源相竞争的对手是裂变、加速器和废物的掩埋，必须给予全面的比较和选择； （3）这类中子源在安全、环境和许可证发放方面，与聚变相比，它更象对裂变装置的要求，必须认真研究； （4）在纯聚变应用的时间表上，在纯聚变实现以前，它可能完成一个中间任务，即常说的聚变的前期应用，要认真安排。 但能否发展这类中子源还存在不少问题，其关键在于：

（1） 必须建立一个合适的市场空间； （2）要考虑公众对聚变印象的影响； （3）必须考虑对纯聚变发展计划的影响； （4）在工艺、可靠性和效率诸方面相关的问题。 总之，必须进行足够的系统研究，并从聚变发展的下一步方案上探讨研究和发展此类中子源的机遇。目前，对ARIES－NS的慨念探讨正在进行中，这是以ST托卡马克为基本装置的聚变中子源。有人估计，如果用聚变中子源来嬗变核废料，在ITER－RC如期进展的条件下，大约需要25年才能建造原型装置。

另外，下一步(NSO) 燃烧等离子体实验方案设计正在围绕以深冷铜磁体为基础的FIRE（Fusion Ignition Research Experiment）展开，关于先进制造工艺也开始列入探讨问题之列。

聚变技术安全氚处理和聚变安全氚燃料和氚化的废气流的安全操作、在内部部件中氚的滞留量及其装料的最小化、对氚和活化产物的流动与释放的认识，是达到演示具有吸引力的安全与环境特点的聚变动力这一目标的重大问题。在用于同位素分离的低温蒸馏系统的发展方面、和新的一次通过废气净化系统 (Palladium Membrane Reactor)的演示，都有了显著的进展。这种废气净化系统能有效处理氚化水，并有限制在燃料处理系统中的氚化水的能力6。

根据在放射性危险材料的流动和缓和机制方面 和最新安全分析工具的发展所得到的数据，ITER做了可信的设计，在最坏的事故情况下不必把公众迁走。在这一方面，重要的研究问题包括：使废物流(像来自燃料净化系统的氚化水)最少或加以限制、聚变材料的再循环和再利用可行性的演示、如何使在第一壁材料和共沉积层中的含氚量最少、对能源与氚流动和其他放射性危害之间的互相作用的理解、安全R&D和把氚从先进冷却介质(如液体壁)中排除的技术(正在考虑把这一技术用于将来的MFE和IFE反应堆级的装置中)的发展。

远距离操作和维修在最终的MFE和IFE聚变堆中，由于材料在强辐照环境中的活化，所有内部部件的维修将需要远距离地完成。从要达到足够高的电站有效运行水平来看，就地、快速的维修操作是重要的。最近成功的例子包括内部度量系统的精密化的发展。为了降低费用、改善可靠性和装置与人的界面、发展重有效载荷的机巧伺服操作系统、以及内部部件的远距离焊接和安装，还需要开展进一步的重要的研制工作。

虚拟实验室**( Virtual Laboratory for Technology .VLT )**

技术虚拟实验室以加州大学(San Diego)Charles C. Baker为首。由遍布美国的9个实验室、10所大学、和7个工业部门共26个单位组成。其工作范围包括MFE技术与IFE腔体和靶技术。通过VLT研究计划顾问委员会(Program Advisory Committee)同行评议来保证研究活动的高质量。VLT的领导人在更大的聚变组织中，是技术方面的主要代表和发言人。

VLT的任务是领导和协调美国参与可实现技术计划( Enabling Technology Program )各团体的工作，包括统一对可实现技术的优先发展和资源的推荐。通过强有力的、有效的交流、数据和硬件的分享、跨研究单位的协力合作，以整合在许多执行单位进行的全部工作。VLT也将促进人和设施之间的互相联系。

作为组织和综合进行可实现技术计划的各研究机构相关研究工作的一种机制，VLT将为协调计划并使各团体参与计划管理提供一个载体。

VLT慨念认识到，聚变的可实现技术计划是各种各样、并且相互联系的研究工作之集合。在VLT之前，这些工作显然缺乏一个明确的指挥部，来支持有关工作和作为在聚变计划领导人之间的代表。另外，在处理计划管理和研究计划的技术评议中也需要更大的统一性。

VLT打算对于在支持可实现技术计划、各单位参与计划管理、与内外客户和风险投资管理者沟通、研究计划的协调和综合、制定统一意见、研究计划的评议等方面提供好处。VLT的“本质”意味着通过互联网的联系来公认所说项目的成就。

总结与展望过去几十年里所看到的，在聚变领域所取得的巨大进步之所以成为可能，部分原因是由于一般技术和特别是等离子体技术的巨大进步。这些进步包括约束等离子体技术（磁体线圈，等离子体面对部件）和那些用以控制等离子体参数与其时空分布（等离子体加热和电流驱动，等离子体加料系统）的技术。这些带有根本性的工具对那些重要的里程碑意义的工作都作出了贡献，例如

创记录的等离子体温度（40Kev）和聚变功率(>10MW)，采用了中性束注入和氚处理系统。 通过弹丸注入，nt 值超了过劳森判据。 在JET上通过弹丸注入和RF加热，取得反剪切的维持，造成内输运壁垒的产生。 H模是由于对壁处理技术和对PMI的认识。 通过等离子体面对部件(PFC)的发展和等离子体壁处理技术，产生了低杂质等离子体。 用RF加热和中性束注入，演示了非感应电流驱动。 通过RF电流驱动技术，实现MHD模的稳定。 用弹丸注入方法，在半经验密度极限以上持续运行。 对于快速等离子体熄灭，用加料技术来缓和破裂。 任何一个更有吸引力的聚变能系统慨念都是在于它能降低投资、提高可靠性、减少内部部件的事故率、以及提高净聚变功率的结果。降低投资费用可以由比较小的、高性能等离子体聚变堆芯来达到，即通过比较高的约束磁场强度和高性能等离子体来达到较高的聚变功率密度。在一定成度上使MHD话动稳定运行的高磁场强度超导磁体技术、射频加热技术和电流驱动系统，以及目的在于促成边缘输运壁垒的等离子体面对部件（PFC）技术将会成为直接用于提高聚变功率密度的三项基本技术计划要素。

在降低费用和提高对聚变能在环境上可接受的程度中，技术方面的其他一些要素也发挥着作中心作用。例如，要使净的输出电功率最大，不仅是用降低循环功率份额的方法，这还意味着采用超导磁体技术、更有效的加热手段和非感应电流驱动系统，但是，还可以用在高温下抽取热量以改善热转换效率的方法。后者在PFC、聚变技术计划、材料计划（即高温抗辐照材料、厚流动液体壁排热和氚增殖慨念）中正在被提出来。在聚变技术计划中，类似的创新研究，如发展厚液体壁来吸收大多数中子能量，可能提供一个有发展前途的解决问题的方法，来降低内部部件和结构材料的事故率（减少部件更换费用和更高的运行率）。一般来说，改进远距操作和维修技术对聚变动力系统也是重要的，并且可以期望大大提高聚变动力系统的运行效率。氚系统和聚变安全要素一般与聚变动力的环境吸引力，特别是与下一步燃烧等离子体装置的许可证发放直接相关。最后，技术和科学计划要素的自洽、协调的综合，作为各种位形路线的聚变堆设计的具体化，都反映在系统设计中。这一工作将提供了一个统一的标准，对所有经济上和环境上有吸引力的聚变产物，用这个标准来衡量现有的和有发展前途的约束途径的预言和潜在优势，并控制聚变科学和技术计划在方向上与其最终目标保持一致。

在发展低费用、下一步装置和更具吸引力的聚变能源的知识基础，很可能还有减小尺寸等聚变计划的目标中，以及为完成这些与长脉冲先进物理运行的要求相关的课题方面，将要求新的和改良的技术：为能量汲取操作高热负载的技术、实现更低费用的技术、高性能超导磁体设计、发展安全有效的氚处理系统，以及发展更有效和更灵活的加热、电流驱动、加料系统和缓和大破裂的相关技术。