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1、1 前言能源是社会发展的基础，化石燃料不仅储量有限，而且会造成严重的生态环境破坏和污染，预期200多年后，人类将面临严重的能源枯竭问题，因此，必须尽快完成战略新能源的开发研究。在一系列的新能源中，核聚变能是最理想的清洁新能源。核聚变反应包括氘氚反应、氘氦反应、氢硼反应等，其中氘氚反应在地球上最易实现，因其反应资源存在于海水中，一旦实现受控热核聚变，海水将成为人类取之不尽用之不竭的资源。这需要氘或氚，在一定条件下(如超高温和高压)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
2、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。2 惯性约束聚变装置简介现有的可控核聚变约束手段主要有两种，一种是惯性约束，一种是磁约束。惯性约束是指利用粒子的惯性作用来约束粒子本身，从而实现核聚变反应的一种方法。其基本思想是:利用驱动器提供的能量使靶丸中的核聚变燃料(氘、氚)形成等离子体，在这些等离子体粒子由于自身惯性作用还来不及向四周飞散的极短时间内，通过向心爆聚被压缩到高温、高密度状态，从而发生核聚变反应。该项研究主要在美国的国家点火装置（NIF），中国的神光-主机装置，如图1所示。(a)(b)图1 (a)国家点火装置 (b)神光-主
3、机装置美国的国家点火装置位于加利福尼亚州的利弗莫尔国家实验室，在过去的一段时间里，其工作人员一直致力于将192束激光集中于一个花生米大小的、装有氢粒子的目标上。当能量为500太瓦的激光撞击到装有氢粒子的目标上后，会产生X光粒子，使得重氢原子和超重氢原子产生聚变，这种聚变使得少量物质转变为巨大能量。但由于技术问题，该项目在2012年末将工作重点由聚变能研究领域重新转回到核武器试验上。我国的“神光-主机装置”，已在2015年由中物院基本建成。作为亚洲最大，世界第二大激光装置，神光-主机装置共有48束激光，总输出能量为18万焦耳，峰值功率高达60万亿瓦。3 磁约束聚变装置简介磁约束聚变是指用特殊形态
4、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，使它受控制地发生大量的原子核聚变反应，释放出能量。自上个世纪60年代中期以来，各国科学家先后建成的磁约束装置包括托卡马克、仿星器、反场箍缩、磁镜、多级场等。3.1 托卡马克托卡马克，是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。它的名字Tokamak来源于环形、真空室、磁、线圈，最初是由位于前苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。该类装置也是国际上应用得最为广泛的一类装置。如图2所示，托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的
5、螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。经过几十年的研究，各国在常规托卡马克装置上都取得了一系列的成就，但这些重大成果只能维持几秒时间，因为常规托卡马克只能脉冲运行，为维持稳态运行，必须要研制超导托卡马克。在超导托卡马克装置中，常用的超导材料为NbTi或Nb3Sn，采用浸泡冷却或破流冷却的方式，冷却介质为液氮或冷氦气。为有效减少超导托卡马克装置中的热负荷，一般在超导磁体和与外真空杜瓦之间均设置有冷屏。图2 托卡马克环形磁容器的基本构成3.1.1 ITER目前国际上规模最大的项目是“国际热核聚变实验堆(ITER)计划”，该计划由我国政府与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和
6、美国七方参与，选址在法国核技术研究中心Cadarache。图3 ITER实验堆模拟图该装置中心是高温氘氚等离子体环，其中存在15兆安的等离子体电流，核聚变反应功率达50万千瓦，每秒释放多达1020个高能中子。等离子体环在屏蔽包层的环型包套中，屏蔽包层将吸收50万千瓦热功率及核聚变反应所产生的所有中子。在包层外是巨大的环形真空室。在下侧有偏虑器与真空室相连，可排出核反应后的废气。真空室穿在16个大型超导环向场线圈（即纵场线圈）中。环向超导磁体将产生5.3特斯拉的环向强磁场，是装置的关键部件之一。穿过环的中心是一个巨大的超导线圈筒（中心螺管），在环向场线圈外侧还布有六个大型环向超导线圈，即极向场线
7、圈。中心螺管和极向场线圈的作用是产生等离子体电流和控制等离子体位形。上述系统整个被罩于一个大杜瓦中，坐落于底座上，构成实验堆本体。在本体外分布4个10兆瓦的强流粒子加速器，10兆瓦的稳态毫米电磁波系统，20兆瓦的射频波系统及数十种先进的等离子体诊断测量系统。整个体系还包括：大型供电系统、大型氚工厂、大型供水（包括去离子水）系统、大型高真空系统、大型液氮、液氦低温系统等。除了常规托卡马克装置所需的关键技术外，超导托卡马克装置还需要关注超导磁体设计、实验、运行，保护技术；低温及低温制冷技术以及所有相关材料的研究。3.1.2 EAST中科院等离子体物理研究所在建成超导托卡马克HT-7的基础上，提出了
8、“HT-7U全超导非圆截面托卡马克装置建设”计划，后更名为EAST。EAST由实验“Experimental”、先进“Advanced”、超导“Superconducting”、托卡马克“Tokamak”四个单词首字母拼写而成，它的中文意思是先进实验超导托卡马克，同时具有东方的含意。图4 EAST装置示意图该装置的主要技术特点和指标是:16个大型D形超导纵向磁体将产生纵向磁场强度 ；12个大型极向场超导磁体可以提供磁通变化 10 伏秒；通过这些极向场超导磁体，将能产生 100万安培的等离子体电流；持续时间将达到1000秒，在高功率加热条件下温度将超过一亿度。EAST装置的主机部分高11米，直径
9、8米，重400吨，由超高真空室、纵场线圈、极向场线圈、内外冷屏、外真空杜瓦、支撑系统等六大部件组成。其实验运行需要有大规模低温氦制冷、大型高功率脉冲电源、大型超导体、大型计算机控制和数据采集处理、兆瓦级低杂波电流驱动和射频波加热、大型超高真空、以及多种先进诊断测量等系统支撑。学科涉及面广，技术难度大，许多关键技术目前在国际上尚无经验借鉴。在2016年1月的试验中，EAST成功实现了电子温度超过5000万度、持续时间达102秒的超高温长脉冲等离子体放电。这是国际托卡马克实验装置在电子温度达到5000万度时，持续时间最长的等离子体放电，是重要的阶段性研究进展。3.2 仿星器仿星器和经典的“托卡马克
10、”一样，都是磁约束受控核聚变装置。不同之处在于托卡马克呈简单圆环状，主要靠强大的等离子电流产生磁场，与外加磁场叠加，从而产生能约束等离子体的螺旋磁力线。相比之下，仿星器的构造则要复杂得多，看起来像一个被扭过的发圈，因为它正是依靠外加磁场本身的扭曲来产生螺旋磁力线的，如图5所示。对工程制造而言，显然托卡马克更容易，它是一种对称的、操作简便的设备，这也是当初国际聚变界倾向于托卡马克的原因。 (a) (b)图5 (a)托卡马克简易示意图 (b)仿星器简易示意图拿仿星器和托卡马克相比，二者各擅胜场，却又有着各自的缺点。托卡马克在等离子约束性能方面有一定优势，但是由于等离子电流的不稳定性，容易发生“大破
11、裂”故障，进而对反应装置造成重大损坏。因此，科学家对托卡马克的研究，很大一部分精力就是用在了避免“大破裂”上。而仿星器由于没有等离子电流，所以根本不存在大破裂的风险，运行起来也就更加稳定。但是，仿星器难以推广的最大原因在于其工程难度和资金投入都大得难以估量。正因如此，当前世界上成功建造大型仿星器的国家只有两个日本和德国。我国在该领域的研究由于各种原因仍是一片空白。3.2.1 W7-XW7-X装置的关键部件是一个50圈的超导磁线圈，高度大约为3.5米，该装置总共有16米宽，能一次约束超高温的等离子体长达30分钟以上，它第一次产生的等离子体，主要由氦组成，达到了大约100万摄氏度的高温。图6 W7
12、-X仿星器该装置放置在德国格赖夫斯瓦尔德的一个大型实验室内，该项目的下一个研究任务将是延长等离子体放电的时间，并研究利用微波制造并加热氦等离子体的最佳方法。在技术上，与托卡马克相比，W7-X型反应堆的优势之一在于，等离子体采用外部磁线圈产生的扭曲磁感线，对内部运行的等离子体进行约束，杜绝了托卡马克的安全隐患。另外一个优势是，W7-X型反应堆对高温等离子体的连续约束时间长达30分钟，远远高于托卡马克的最高纪录。3.3 反场箍缩反场箍缩是有别于托卡马克、仿星器位形的另一类环形磁约束聚变装置，是先进磁约束聚变位形探索研究的重要平台。反场箍缩最重要的特点是约束等离子体的磁场是由等离子体内部电流所产生，
13、具有纯欧姆加热达到聚变点火条件、高质量功率密度等优势，是未来磁约束反应堆位形的候选方案。美国在1999年投入使用的“国家球形环实验”装置是世界首个此类装置，其数据为：大直径0.85米；小直径0.68米，磁场3000高斯，热功率11兆瓦，等离子电流1.4兆安。而我国的反场箍缩磁约束聚变实验装置KTX（中文简称“科大一环”）装置现在已经进入最后整体安装调试阶段。该装置装置大半径1.4米，小半径0.4米，磁场可达7千高斯，等离子体电流可达1兆安培，电子温度可达6百万度，放电时间可达100毫秒。磁体系统由24个纵场线圈、26个欧姆场线圈、12个平衡场线圈以及136个反馈控制线圈组成，最大线圈直径达7米。KTX装置主机总体直径8米，通高6米，总重量超过70吨。如图7所示。图7 KTX装置主机结构及总装现场3.4 磁镜磁镜是一种直线型磁约束核聚变装置，端部磁场比中间高，等离子体粒子在高磁场端部反射而被约束。它利用了带电粒子在磁场中运动时的守恒特性，可以在两端磁场较强、中间磁场较弱的磁场中把带电粒子约束在弱磁场区。这种磁场位型可以用两个电流方向相同的线圈产生。目前我国的串节磁镜装置KMAX，已在2014年由中国科学技术大学孙玄教授组建成功并已实现放电。该装置长度10米，主要的真空室内径1.2米， 磁喉处内径0.3米。图8 KMAX磁镜装置
