磁约束聚变现状研究汇总

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-Ⅲ主机装置，如图1所示。

(a)

(b)

图1 (a)国家点火装置 (b)神光-Ⅲ主机装置

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-Ⅲ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-Ⅲ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“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ΔФ≥ 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”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-X

W7-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-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，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