江蘇鳳谷節(jié)能科技有限公司   "等離子體"（Plasma）是物質（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算起幾十年來，人類一直在為實現(xiàn)受控的核聚變并轉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，按照美國核商務通訊記者特格拉 費邊（Thecla Fabian）的說法是："全世界聚變研究與發(fā)展有顯著的進步，但期待的高效、經(jīng)濟發(fā)電仍然沒有清晰的路徑。最近美國聚變會議強調取得成就，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"領域。以國際財團為主、現(xiàn)正在法國建造的國際熱核實驗堆（ITER）裝置占據(jù)舞臺的中心。ITER總干事伯納德 比戈（Bernard Bigot）解釋了怎樣整頓這個多國項目，以應對承諾的成本逐步上升、進度日漸下滑問題，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（暨學術報告會）上，他的報告指出，ITER委員會將在其2016年中期會議上制訂新的項目基線。與此同時，ITER建造和部件制造在全速前進。[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、等離子體燃燒科學和聚變技術。他說，托克馬克的約束系統(tǒng)有最先進的科學基礎，而且自1969年首次引入后有許多進步。ITER將顯著地推進聚變科學和技術，而且最重要的是，托克馬克是唯一"準備好"的磁聚變概念。

普林斯頓等離子體物理實驗室（PPPL）正在進行聚變核科學設施（FNSF）各系統(tǒng)的研究，以填補ITER和"Demo"即"示范聚變電廠"間的差距。FNSF要能連續(xù)運行1-15天。為給Demo奠定基礎，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)（構筑物、功能性、冷卻劑、增殖、屏蔽等）；運行溫度和其他環(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)時間；等離子體啟動技術；示范電廠運作；各個子系統(tǒng)；可利用率、維修、可檢測性和可靠性進展。

轉入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，促進規(guī)劃"磨合"。這個團隊計劃的傳統(tǒng)長寬比為4[4]；保守的托克馬克物理基礎擴展到更高的性能；100％無電感等離子體流；高級Nb3Sn制成的低溫超導線圈；以及增殖層內的氦氣冷卻、屏蔽、偏濾器和真空容器。PPPL的查爾斯 凱塞爾（Charles Kessel）說，"凈"電力生產不是目標，但這個機器能用于演示電力生產。

將從最初的調試轉向氘運行，最終轉向2－3年的氘-氚運行。這將填補凱塞爾所說的ITER和Demo之間的"巨大"差距。PPPL團隊正嘗試著確認FNSF必須示范什么，確認為準備FNSF運行需要的研發(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？

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

赫什說，托克馬克聚變發(fā)電經(jīng)濟的一個大問題，是超導環(huán)形磁場線圈加熱和冷卻需要的時間。中國實驗性先進超導托克馬克裝置(EAST )2006年12月熄滅后，花費了大約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/冷卻退出運行"對電廠經(jīng)濟是個很大的、負面沖擊"。

可能的監(jiān)管問題

關于核廢物，聚變裝置不可能發(fā)生失控反應。托克馬克裝置包含活化金屬放射性廢物，比用裂變燃料壽命較短，危險較少。然而赫什說，放射性廢物處理、儲存和處置仍然會是個重要的監(jiān)管問題

假設ITER級托克馬克裝置的增殖層，由于輻射損傷，每三年必須更換，一個連續(xù)運行的ITER托克馬克裝置生產的放射性廢物會達675噸/年。這比裂變堆還多，后者產生的乏燃料大約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)行非常嚴格的標準。

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

" 監(jiān)管部門特別關注超導滅磁，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，超導滅磁能釋放40GJ以上的能量，或相當于10噸黃色炸藥（TNT）。赫什指出，它的爆炸力與二戰(zhàn)時代的重磅炸彈相當。ITER級托克馬克裝置的超導滅磁的爆炸性威脅要適當?shù)乇?quot;遏制"。他說，考慮到托克馬克裝置的尺寸，防爆的安全殼構筑物會極其昂貴。

" 等離子體瓦解是另一個監(jiān)管部門關注的領域。托克馬克裝置在限定參數(shù)內運行。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)事件使構筑物和"壁"遭受巨大的熱和機械應力。赫什引用哥倫比亞大學物理學家塞拉 按格利尼（Sarah Angelini）的話說："在諸如ITER這種大規(guī)模的實驗裝置內，瓦解能使真空容器和等離子體飾面的部件遭受災難性破壞。"他還說，監(jiān)管部門將把焦點放在"瓦解"上，確認所有可能的"觸發(fā)條件"和潛在的"級聯(lián)"，并且要求"故障安全"保護。

" 氚通過固體材料擴散，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入反應堆大廳，隨之將使設備發(fā)生故障并損害真空容器。美國核管會（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。

赫什說，社會公眾一直"被"告知聚變發(fā)電是經(jīng)濟、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。電力公司也會清醒地看到NRC的任何限制條件和關注點，他們的興趣很可能快速消失。

作為發(fā)電機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，能在預期的ITER條件下"堅持"一個合理的穩(wěn)態(tài)運行周期。赫什說，2015年美國能源部組織的聚變研討會[5]斷言，托克馬克裝置偏濾器物理的知識基礎還不能詳細說明偏濾器的解決方案，"其實，甚至在原理上，我們并不知道有個解決方案"。赫什說，沒有偏濾器，ITER級托克馬克裝置不能運行很長時間。

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。

去年12月10日，F(xiàn)PA（美國聚變能源聯(lián)盟年會）會議前一周，德國文德爾施泰恩（W）7-X，這個世界最大的仿星器的"首個等離子體"給仿星器作為未來demo裝置基礎的幾個展示報告提供了適宜的背景[6]。W7-X是輸運和磁流體動力學（MHD）穩(wěn)定性數(shù)字優(yōu)化的超導仿星器。PPPL的邁克 乍恩斯托夫（Mike Zarnstorff）說，預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"；沒有電流驅動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。

這些國家籌劃了個demo路徑，包括仿星器選項，而且兩國都有大型超導仿星器實驗裝置：歐洲的W7-X和日本1998年投入運行的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年評估二者的進展，進而選定demo的方法以及2030年前后的建造安排。

日本計劃2017年2月開始LHD氘實驗，目前正在做機器升級，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診斷。氘實驗的目標是使配置性能最大化，研究等離子體約束的同位素效應，論證高能離子約束并證實建模外推。附帶的研究將覆蓋高β磁流體動力學（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年內開發(fā)W7-X類似聚變電廠的基礎；開發(fā)并論證仿星器demo的發(fā)電前景；確認模型和設計方法；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，美國的角色更適應基礎研究，改善數(shù)值建模并生效三維物理認識，改進三維最優(yōu)化，設計仿星器先導電廠，以及PPPL聚變核科學設施范圍界定研究。

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， 二者都能導致demo規(guī)模的電廠。這個實驗室也在從事液態(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：只有兩個大型仿星器，只有一個優(yōu)化了。這給PPPL采取研究立場留下個"開口"，包括仿星器研究活動中心。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驗裝置（NSTX-U）的重大升級，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候選，推進了ITER及其以后的環(huán)形約束物理和球形托克馬克裝置。

關鍵問題是，編制demo計劃前仿星器是否需要氘-氚（D-T）運行？

很明顯，DT運行能降低風險，但過程增加了一步。2015年3月日本會議的參加者辯論過，確認用于ITER的綜合模型和非DT大型實驗裝置是否能降低這種風險。一般的結論是，需要DT運行，但最終決定將取決于研究的進展。歐盟的demo計劃要求仿星器DT運行前，針對設計概念做出決定。

聚變材料

橡樹嶺國家實驗室的史蒂夫 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公眾和環(huán)境，免除放射性釋放和事故。廢物應危害小，放射性壽命短；用的材料要低"活化"，而且"捕俘"的氚要少。經(jīng)濟競爭力取決于材料的性能好、使用期長；檢修和停役時間短，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"多長時間？

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

" 非結構材料，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中預期的那樣，現(xiàn)在用的許多材料沒有DT環(huán)境運行的經(jīng)驗。結構系統(tǒng)設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。

在結構材料方面，聚變學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，在其他領域，沒有這種強大的協(xié)同效應，特別是在氚密封和非結構材料方面。

氚密封是個特殊問題。與未受照的材料相比，強中子轟擊產生微觀空穴，"扣留"相當大量的氚。凱塞爾曾坦率地說，PPPL的托克馬克聚變試驗堆有"巨大"數(shù)量的空穴，預計誘捕的氚高100倍以上。在demo、甚至ITER那么大的機械內扣留氚的量級，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行研究。凱塞爾說，現(xiàn)在有可能用計算機設計高性能的鋼材。熱力學計算建模已確認商用9-12％鉻鋼新的、潛在的形變熱處理工藝，但某些工藝如熱軋，對某些產品形態(tài)可能難以落實，而且不能用于焊接件。

歐盟研究人員已開始設計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)計算模型，對高溫應用選擇優(yōu)化的9％Cr鋼。機械性能和微觀結構調查還在進行中，輻照試驗計劃在2016-2017年進行。

聚變研究人員正在考慮更廣泛可能的材料，包括先進的陶瓷和其他應用開發(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)動機的SiC/SiC復合材料。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生的燃料節(jié)省約為15％。

美國將建設兩個新的SiC纖維和CMC（陶瓷基質復合材料）加工廠，生產新復合材料。凱塞爾說，航空工業(yè)成功使用復合材料將會激勵開發(fā)改良的SiC纖維和低價復合材料作其他的應用，也許包括聚變。現(xiàn)在，復合材料的成本比某些應用的金屬高100-1000倍。

凱塞爾稱他個人對結構材料"看漲"，指的是現(xiàn)成的、核環(huán)境應用的高性能結構材料。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/平米的實用性還不確定。

日本"示范聚變電廠"要求概略

日本聚變科學家的一個高級團隊在去年9月發(fā)布的報告中明確，demo的目標是驗證聚變能源在經(jīng)濟和社會方面可與其他發(fā)電機組競爭。宗旨是以功率級別超過幾十萬千瓦、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、科技部科學顧問藤原浩 山田（Hiroshi Yamada）主導確立demo需要的技術基礎。該團隊的報告（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堆技術基礎研發(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，"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"聚變技術的"挑戰(zhàn)"

上述觀點多半針對"官方"主辦或資助的大型托克馬克裝置或仿星器/螺旋裝置。在聚變科學界，還有許多非官方資助的小型/非主流聚變科研項目在"窺視"聚變能源的"圣杯"。它們多半由終生獻身于聚變科學研究的資深專家、教授主導，有獨到的認識和見解，在"獨特"的方面狠下工夫。幾十年來，特別是ITER進展和技術上出現(xiàn)困難時，突出了這些"非主流"聚變概念的"獨到"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，把新技術引入既定領域，以提升性能、前景和商用潛質"，正在開發(fā)以球形托克馬克和高溫超導為基礎的聚變堆概念，"10年之內首次發(fā)電，15年之內建成10萬千瓦的電廠，并網(wǎng)發(fā)電"。[8]此外，許多聚變界科學家認為，"質子-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"，也許能產生市場可接受的聚變發(fā)電概念。[9]

總之，聚變學界非常有信心。盡管還有一段長路，但前景樂觀。因為"困難是需要一些時間；不可能是需要一段時間"。

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