江蘇鳳谷節(jié)能科技有限公司   "等離子體"（Plasma）是物質(zhì)（氣、液、固之外）存在的"第四態(tài)"，"核聚變"使宇宙的太陽和所有恒星發(fā)光發(fā)熱。就為地球上的人類提供"永恒"的能源而言，受控的"聚變能源"是最終夢想。從"發(fā)現(xiàn)"等離子體和核聚變反應(yīng)算起幾十年來，人類一直在為實(shí)現(xiàn)受控的核聚變并轉(zhuǎn)化為日常生活須臾不可離的能源（例如電和熱）而奮斗。但目前的情況，按照美國核商務(wù)通訊記者特格拉 費(fèi)邊（Thecla Fabian）的說法是："全世界聚變研究與發(fā)展有顯著的進(jìn)步，但期待的高效、經(jīng)濟(jì)發(fā)電仍然沒有清晰的路徑。最近美國聚變會(huì)議強(qiáng)調(diào)取得成就，也有許多挑戰(zhàn)。"[1]

磁聚變中，托克馬克仍然是發(fā)展的"主打"領(lǐng)域。以國際財(cái)團(tuán)為主、現(xiàn)正在法國建造的國際熱核實(shí)驗(yàn)堆（ITER）裝置占據(jù)舞臺(tái)的中心。ITER總干事伯納德 比戈（Bernard Bigot）解釋了怎樣整頓這個(gè)多國項(xiàng)目，以應(yīng)對承諾的成本逐步上升、進(jìn)度日漸下滑問題，以及早期管理方面的缺陷。去年12月17日在美國華盛頓召開的聚變能源聯(lián)盟年會(huì)（暨學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)）上，他的報(bào)告指出，ITER委員會(huì)將在其2016年中期會(huì)議上制訂新的項(xiàng)目基線。與此同時(shí)，ITER建造和部件制造在全速前進(jìn)。[2]

美國通用原子公司（General Atomics）副總裁托尼 泰勒（Tony Taylor）說，ITER是聚變能源發(fā)展的基本元素、等離子體燃燒科學(xué)和聚變技術(shù)。他說，托克馬克的約束系統(tǒng)有最先進(jìn)的科學(xué)基礎(chǔ)，而且自1969年首次引入后有許多進(jìn)步。ITER將顯著地推進(jìn)聚變科學(xué)和技術(shù)，而且最重要的是，托克馬克是唯一"準(zhǔn)備好"的磁聚變概念。

普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室（PPPL）正在進(jìn)行聚變核科學(xué)設(shè)施（FNSF）各系統(tǒng)的研究，以填補(bǔ)ITER和"Demo"即"示范聚變電廠"間的差距。FNSF要能連續(xù)運(yùn)行1-15天。為給Demo奠定基礎(chǔ)，它將用于：聚變中子輻照（積分通量和dpa數(shù)值[3]）；材料開發(fā)（構(gòu)筑物、功能性、冷卻劑、增殖、屏蔽等）；運(yùn)行溫度和其他環(huán)境變量；氚的行為、控制、庫存與核算；需要性能狀態(tài)下等離子體長期持續(xù)時(shí)間；等離子體啟動(dòng)技術(shù)；示范電廠運(yùn)作；各個(gè)子系統(tǒng)；可利用率、維修、可檢測性和可靠性進(jìn)展。

轉(zhuǎn)入Demo大規(guī)模操作和日常發(fā)電前，材料開發(fā)和測試方面，目標(biāo)是建立快中子環(huán)境和整體環(huán)境中部件的數(shù)據(jù)庫。Demo將達(dá)到電廠水平的中子損傷，而且需要新的、能在聚變環(huán)境下"存活"的材料。

FNSF比Demo小，以較低成本，促進(jìn)規(guī)劃"磨合"。這個(gè)團(tuán)隊(duì)計(jì)劃的傳統(tǒng)長寬比為4[4]；保守的托克馬克物理基礎(chǔ)擴(kuò)展到更高的性能；100％無電感等離子體流；高級(jí)Nb3Sn制成的低溫超導(dǎo)線圈；以及增殖層內(nèi)的氦氣冷卻、屏蔽、偏濾器和真空容器。PPPL的查爾斯 凱塞爾（Charles Kessel）說，"凈"電力生產(chǎn)不是目標(biāo)，但這個(gè)機(jī)器能用于演示電力生產(chǎn)。

將從最初的調(diào)試轉(zhuǎn)向氘運(yùn)行，最終轉(zhuǎn)向2－3年的氘-氚運(yùn)行。這將填補(bǔ)凱塞爾所說的ITER和Demo之間的"巨大"差距。PPPL團(tuán)隊(duì)正嘗試著確認(rèn)FNSF必須示范什么，確認(rèn)為準(zhǔn)備FNSF運(yùn)行需要的研發(fā)規(guī)劃，并建立FNSF和Demo以及未來聚變發(fā)電廠間的聯(lián)系。

有"可行"的托克馬克發(fā)電廠嗎？

與會(huì)的其他發(fā)言人對ITER或托克馬克概念導(dǎo)致實(shí)際聚變能源的潛質(zhì)不大樂觀。上個(gè)世紀(jì)70年代管理美國聚變能源規(guī)劃、現(xiàn)在華盛頓特區(qū)管理信息服務(wù)公司（MISI）高級(jí)能源顧問羅伯特 赫什（Robert L. Hirsh）說，到了"面對現(xiàn)實(shí)"的時(shí)候了，ITER型托克馬克永遠(yuǎn)不會(huì)商業(yè)上有生命力。然而能提供寶貴的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。

赫什說，托克馬克聚變發(fā)電經(jīng)濟(jì)的一個(gè)大問題，是超導(dǎo)環(huán)形磁場線圈加熱和冷卻需要的時(shí)間。中國實(shí)驗(yàn)性先進(jìn)超導(dǎo)托克馬克裝置(EAST )2006年12月熄滅后，花費(fèi)了大約18天才從室溫冷卻到4.5K。據(jù)估算，ITER冷卻大致要30天。赫什說，在商業(yè)電力系統(tǒng)中，30天加熱/冷卻退出運(yùn)行"對電廠經(jīng)濟(jì)是個(gè)很大的、負(fù)面沖擊"。

可能的監(jiān)管問題

關(guān)于核廢物，聚變裝置不可能發(fā)生失控反應(yīng)。托克馬克裝置包含活化金屬放射性廢物，比用裂變?nèi)剂蠅勖^短，危險(xiǎn)較少。然而赫什說，放射性廢物處理、儲(chǔ)存和處置仍然會(huì)是個(gè)重要的監(jiān)管問題

假設(shè)ITER級(jí)托克馬克裝置的增殖層，由于輻射損傷，每三年必須更換，一個(gè)連續(xù)運(yùn)行的ITER托克馬克裝置生產(chǎn)的放射性廢物會(huì)達(dá)675噸/年。這比裂變堆還多，后者產(chǎn)生的乏燃料大約150噸/年。赫什說，雖然裂變堆的放射性和毒性比ITER聚變的水平高得多、壽命長得多，核監(jiān)管部門要求聚變堆的廢物用類似的方式加以處理，至少要執(zhí)行非常嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。

除廢物之外，赫什還確認(rèn)了三個(gè)重要的監(jiān)管問題：超導(dǎo)滅磁、等離子體突發(fā)事件和氚控制。

" 監(jiān)管部門特別關(guān)注超導(dǎo)滅磁，它是低概率事件，但隨之而來的是爆炸性能量釋放。例如，就ITER而言，超導(dǎo)滅磁能釋放40GJ以上的能量，或相當(dāng)于10噸黃色炸藥（TNT）。赫什指出，它的爆炸力與二戰(zhàn)時(shí)代的重磅炸彈相當(dāng)。ITER級(jí)托克馬克裝置的超導(dǎo)滅磁的爆炸性威脅要適當(dāng)?shù)乇?quot;遏制"。他說，考慮到托克馬克裝置的尺寸，防爆的安全殼構(gòu)筑物會(huì)極其昂貴。

" 等離子體瓦解是另一個(gè)監(jiān)管部門關(guān)注的領(lǐng)域。托克馬克裝置在限定參數(shù)內(nèi)運(yùn)行。超過限定的參數(shù)，可能突然失去能量約束，稱之為"瓦解"。這種突發(fā)事件使構(gòu)筑物和"壁"遭受巨大的熱和機(jī)械應(yīng)力。赫什引用哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)家塞拉 按格利尼（Sarah Angelini）的話說："在諸如ITER這種大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)，瓦解能使真空容器和等離子體飾面的部件遭受災(zāi)難性破壞。"他還說，監(jiān)管部門將把焦點(diǎn)放在"瓦解"上，確認(rèn)所有可能的"觸發(fā)條件"和潛在的"級(jí)聯(lián)"，并且要求"故障安全"保護(hù)。

" 氚通過固體材料擴(kuò)散，特別是在高溫下。真空和給托克馬克裝置的能量注入口將使氚泄漏進(jìn)入反應(yīng)堆大廳，隨之將使設(shè)備發(fā)生故障并損害真空容器。美國核管會(huì)（NRC）對輻射工作人員和普通公眾的氚劑量限值比已知的、引發(fā)人類健康效應(yīng)的輻射受照水平小得多。監(jiān)管部門將要求昂貴的"故障安全"保護(hù)。

赫什說，社會(huì)公眾一直"被"告知聚變發(fā)電是經(jīng)濟(jì)、安全和環(huán)境上有吸引力的，也要發(fā)出"很可能事與愿違"的警告。電力公司也會(huì)清醒地看到NRC的任何限制條件和關(guān)注點(diǎn)，他們的興趣很可能快速消失。

作為發(fā)電機(jī)組而不是研究裝置考慮，托克馬克裝置還面臨重大的可操作性的難題。

作為商業(yè)運(yùn)營期間的重大課題，赫什指的是偏濾器耐用性。最近的研究表明，沒有固體材料、包括鎢，能在預(yù)期的ITER條件下"堅(jiān)持"一個(gè)合理的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行周期。赫什說，2015年美國能源部組織的聚變研討會(huì)[5]斷言，托克馬克裝置偏濾器物理的知識(shí)基礎(chǔ)還不能詳細(xì)說明偏濾器的解決方案，"其實(shí)，甚至在原理上，我們并不知道有個(gè)解決方案"。赫什說，沒有偏濾器，ITER級(jí)托克馬克裝置不能運(yùn)行很長時(shí)間。

仿星器示范聚變電廠

歐洲和日本的發(fā)言人說，他們曾經(jīng)考慮ITER之后示范聚變電廠（demo）的"替代"概念。首先考慮的是仿星器、球形托克馬克（兼具托克馬克裝置和仿星器二者的特征）和慣性約束選項(xiàng)。

去年12月10日，F(xiàn)PA（美國聚變能源聯(lián)盟年會(huì)）會(huì)議前一周，德國文德爾施泰恩（W）7-X，這個(gè)世界最大的仿星器的"首個(gè)等離子體"給仿星器作為未來demo裝置基礎(chǔ)的幾個(gè)展示報(bào)告提供了適宜的背景[6]。W7-X是輸運(yùn)和磁流體動(dòng)力學(xué)（MHD）穩(wěn)定性數(shù)字優(yōu)化的超導(dǎo)仿星器。PPPL的邁克 乍恩斯托夫（Mike Zarnstorff）說，預(yù)期的等離子體最大加熱脈沖為30分鐘。

乍恩斯托夫說，為使聚變商業(yè)上可行，可能需要有仿星器的許多特性。這些包括：沒有"突發(fā)事件"；沒有電流驅(qū)動(dòng)和較高聚變增益的低循環(huán)功率；穩(wěn)態(tài)磁場和等離子體；以及持續(xù)的高壓（β為5％或以上[6]）。但是，仿星器配置必須加以優(yōu)化，才能獲得這些特征，而這是歐盟和日本"咄咄逼人"的仿星器研究規(guī)劃的重點(diǎn)。

這些國家籌劃了個(gè)demo路徑，包括仿星器選項(xiàng)，而且兩國都有大型超導(dǎo)仿星器實(shí)驗(yàn)裝置：歐洲的W7-X和日本1998年投入運(yùn)行的LHD（大型螺旋裝置）。

日本的demo戰(zhàn)略是平行地開發(fā)托克馬克和仿星器/螺旋器。日本將在2027年評(píng)估二者的進(jìn)展，進(jìn)而選定demo的方法以及2030年前后的建造安排。

日本計(jì)劃2017年2月開始LHD氘實(shí)驗(yàn)，目前正在做機(jī)器升級(jí)，以包括中子束注入、電子回旋加速器升溫、離子回旋加速器頻率范圍升溫和高級(jí)診斷。氘實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是使配置性能最大化，研究等離子體約束的同位素效應(yīng)，論證高能離子約束并證實(shí)建模外推。附帶的研究將覆蓋高β磁流體動(dòng)力學(xué)（MHD）穩(wěn)定性和低碰撞特性參數(shù)、偏濾器最優(yōu)化，以及等離子體-容器壁相互作用。

和日本相似，歐盟希望2030年就demo作出決定。歐盟打算在今后14年內(nèi)開發(fā)W7-X類似聚變電廠的基礎(chǔ)；開發(fā)并論證仿星器demo的發(fā)電前景；確認(rèn)模型和設(shè)計(jì)方法；開發(fā)和論證穩(wěn)態(tài)偏濾器；發(fā)電10MW，持續(xù)30分鐘。

在仿星器研究中，美國的角色更適應(yīng)基礎(chǔ)研究，改善數(shù)值建模并生效三維物理認(rèn)識(shí)，改進(jìn)三維最優(yōu)化，設(shè)計(jì)仿星器先導(dǎo)電廠，以及PPPL聚變核科學(xué)設(shè)施范圍界定研究。

PPPL的斯圖爾特 普拉格（Stewart Prager）說，在美國，PPPL對球形托克馬克和仿星器研究感興趣， 二者都能導(dǎo)致demo規(guī)模的電廠。這個(gè)實(shí)驗(yàn)室也在從事液態(tài)金屬研究，作為"第一壁"難題的新穎解決方案。他指出了世界仿星器規(guī)劃的巨大差距：只有兩個(gè)大型仿星器，只有一個(gè)優(yōu)化了。這給PPPL采取研究立場留下個(gè)"開口"，包括仿星器研究活動(dòng)中心。他說，仿星器大概是"物理上最佳的聚變概念"。

PPPL最近還完成了它的國家球形托克馬克實(shí)驗(yàn)裝置（NSTX-U）的重大升級(jí)，這將有助于建立持續(xù)的、高性能的等離子體，作為聚變裝置下一步的一個(gè)候選，推進(jìn)了ITER及其以后的環(huán)形約束物理和球形托克馬克裝置。

關(guān)鍵問題是，編制demo計(jì)劃前仿星器是否需要氘-氚（D-T）運(yùn)行？

很明顯，DT運(yùn)行能降低風(fēng)險(xiǎn)，但過程增加了一步。2015年3月日本會(huì)議的參加者辯論過，確認(rèn)用于ITER的綜合模型和非DT大型實(shí)驗(yàn)裝置是否能降低這種風(fēng)險(xiǎn)。一般的結(jié)論是，需要DT運(yùn)行，但最終決定將取決于研究的進(jìn)展。歐盟的demo計(jì)劃要求仿星器DT運(yùn)行前，針對設(shè)計(jì)概念做出決定。

聚變材料

橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的史蒂夫 扎克勒（Steve Zinkle）說，聚變發(fā)電的所有環(huán)境吸引力和經(jīng)濟(jì)競爭力直接取決于電廠使用的材料。環(huán)境吸引力需要各種材料能保護(hù)公眾和環(huán)境，免除放射性釋放和事故。廢物應(yīng)危害小，放射性壽命短；用的材料要低"活化"，而且"捕俘"的氚要少。經(jīng)濟(jì)競爭力取決于材料的性能好、使用期長；檢修和停役時(shí)間短，而且熱效率高。

聚變材料開發(fā)的重大挑戰(zhàn)包括：

" 等離子體面飾部件：鎢能沒有脆化地起作用"存活"多長時(shí)間？

" 氚密封：能研發(fā)防止氚泄漏、允許在線提取、進(jìn)行燃料后處理的材料嗎？

" 非結(jié)構(gòu)材料，包括等離子體診斷（例如光纖、電絕緣子）、等離子體加熱引線絕緣子和下一代磁系統(tǒng)，以及陶瓷增殖器。正如在demo中預(yù)期的那樣，現(xiàn)在用的許多材料沒有DT環(huán)境運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)置在第一年能正常工作，但商業(yè)系統(tǒng)需要新的、使用期更長的選項(xiàng)。

在結(jié)構(gòu)材料方面，聚變學(xué)界可以利用裂變電廠做過的研究，以及美國國家核安全局（NNSA）在慣性約束聚變和武器規(guī)劃方面正在做的研究和開發(fā)。

然而，在其他領(lǐng)域，沒有這種強(qiáng)大的協(xié)同效應(yīng)，特別是在氚密封和非結(jié)構(gòu)材料方面。

氚密封是個(gè)特殊問題。與未受照的材料相比，強(qiáng)中子轟擊產(chǎn)生微觀空穴，"扣留"相當(dāng)大量的氚。凱塞爾曾坦率地說，PPPL的托克馬克聚變試驗(yàn)堆有"巨大"數(shù)量的空穴，預(yù)計(jì)誘捕的氚高100倍以上。在demo、甚至ITER那么大的機(jī)械內(nèi)扣留氚的量級(jí)，有可能成為公眾的安全危害。

研究人員也在對低活化鋼材進(jìn)行研究。凱塞爾說，現(xiàn)在有可能用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)高性能的鋼材。熱力學(xué)計(jì)算建模已確認(rèn)商用9-12％鉻鋼新的、潛在的形變熱處理工藝，但某些工藝如熱軋，對某些產(chǎn)品形態(tài)可能難以落實(shí)，而且不能用于焊接件。

歐盟研究人員已開始設(shè)計(jì)下一代減少活化的鐵素體-馬氏體鋼材的規(guī)劃。這包括開發(fā)計(jì)算模型，對高溫應(yīng)用選擇優(yōu)化的9％Cr鋼。機(jī)械性能和微觀結(jié)構(gòu)調(diào)查還在進(jìn)行中，輻照試驗(yàn)計(jì)劃在2016-2017年進(jìn)行。

聚變研究人員正在考慮更廣泛可能的材料，包括先進(jìn)的陶瓷和其他應(yīng)用開發(fā)的材料。凱塞爾指出通用（GE）與斯奈克瑪公司（Snecma）的合資企業(yè)開發(fā)的、現(xiàn)在有資格用于渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的SiC/SiC復(fù)合材料。首次部署將是2016年的空客320neo和2017年的波音737MAX。開發(fā)商估算，更高的溫度和更低的重量產(chǎn)生的燃料節(jié)省約為15％。

美國將建設(shè)兩個(gè)新的SiC纖維和CMC（陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料）加工廠，生產(chǎn)新復(fù)合材料。凱塞爾說，航空工業(yè)成功使用復(fù)合材料將會(huì)激勵(lì)開發(fā)改良的SiC纖維和低價(jià)復(fù)合材料作其他的應(yīng)用，也許包括聚變?，F(xiàn)在，復(fù)合材料的成本比某些應(yīng)用的金屬高100-1000倍。

凱塞爾稱他個(gè)人對結(jié)構(gòu)材料"看漲"，指的是現(xiàn)成的、核環(huán)境應(yīng)用的高性能結(jié)構(gòu)材料。對這種材料在裂變中子環(huán)境的穩(wěn)定性方面有高度信心，但對聚變，超過5MW-年/平米的實(shí)用性還不確定。

日本"示范聚變電廠"要求概略

日本聚變科學(xué)家的一個(gè)高級(jí)團(tuán)隊(duì)在去年9月發(fā)布的報(bào)告中明確，demo的目標(biāo)是驗(yàn)證聚變能源在經(jīng)濟(jì)和社會(huì)方面可與其他發(fā)電機(jī)組競爭。宗旨是以功率級(jí)別超過幾十萬千瓦、穩(wěn)定而又可靠地發(fā)電；適合商用化，而且能增殖足夠的氚，使燃料循環(huán)自給自足。

日本教育、文化、體育、科技部科學(xué)顧問藤原浩 山田（Hiroshi Yamada）主導(dǎo)確立demo需要的技術(shù)基礎(chǔ)。該團(tuán)隊(duì)的報(bào)告（英文版）2015年9月26日在網(wǎng)上發(fā)布，題目《建立日本聚變demo堆技術(shù)基礎(chǔ)研發(fā)戰(zhàn)略》[6]。

山田說，該部要求在開發(fā)托克馬克裝置的同時(shí)，"以戰(zhàn)略上相聯(lián)系的方式"開發(fā)供選擇的概念，如螺旋形和激光系統(tǒng)。

非"主流"聚變技術(shù)的"挑戰(zhàn)"

上述觀點(diǎn)多半針對"官方"主辦或資助的大型托克馬克裝置或仿星器/螺旋裝置。在聚變科學(xué)界，還有許多非官方資助的小型/非主流聚變科研項(xiàng)目在"窺視"聚變能源的"圣杯"。它們多半由終生獻(xiàn)身于聚變科學(xué)研究的資深專家、教授主導(dǎo)，有獨(dú)到的認(rèn)識(shí)和見解，在"獨(dú)特"的方面狠下工夫。幾十年來，特別是ITER進(jìn)展和技術(shù)上出現(xiàn)困難時(shí)，突出了這些"非主流"聚變概念的"獨(dú)到"優(yōu)勢。

最近，英國新創(chuàng)建的托克馬克能源公司宣稱，要"脫離主流聚變工程學(xué)，把新技術(shù)引入既定領(lǐng)域，以提升性能、前景和商用潛質(zhì)"，正在開發(fā)以球形托克馬克和高溫超導(dǎo)為基礎(chǔ)的聚變堆概念，"10年之內(nèi)首次發(fā)電，15年之內(nèi)建成10萬千瓦的電廠，并網(wǎng)發(fā)電"。[8]此外，許多聚變界科學(xué)家認(rèn)為，"質(zhì)子-硼-11燃料循環(huán)"概念提供了"另外的、潛在地有吸引力的聚變發(fā)電的方法"，也許能產(chǎn)生市場可接受的聚變發(fā)電概念。[9]

總之，聚變學(xué)界非常有信心。盡管還有一段長路，但前景樂觀。因?yàn)?quot;困難是需要一些時(shí)間；不可能是需要一段時(shí)間"。

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