【简介】
近年来，能源问题一直是世界各国关注的焦点，更是阻碍我国经济技术发展的重要因素之一。核能作为一种高效能源具有十分重要的应用前景。核裂变技术经历几十年的发展已经被成功地用于商用发电，但其反应过程存在一定的安全隐患，而且产生的核废料可能对自然环境造成长期的破坏。核聚变则不同，其具有清洁环保、安全可靠、不产生核废料等优点，而且核聚变的原料储量丰富，是解决人类未来能源及环境问题的主要选择之一。经过数十年的发展，受控核聚变技术已经取得了巨大的成就，但还远未达到商业发电的要求。今天的学术沙龙将围绕受控核聚变技术展开讨论，报告人将对磁约束核聚变的发展历史进行系统介绍，并围绕我国的大科学装置“东方超环（EAST）”以及正在建设当中的国际热核聚变实验堆（ITER），向大家展示已经取得的一系列振奋人心的科研成果，以及面临的巨大挑战。
【主持人致辞】
刘渝珍：各位领导、同事、朋友们，大家上午好。在中国科学院老科协的支持下，由国科大分会承办的《人类对核聚变“人造太阳”的梦想追求》的专家学术沙龙今天在这里如期召开。非常感谢大家的积极参与。今天，我们非常荣幸地邀请到了我国在磁约束核聚变领域的两位专家，胡建生研究员和倪明玖教授。现在让我们以热烈的掌声欢迎两位科学家为我们做主旨报告。
【主旨报告】
胡建生：磁约束核聚变与EAST超导托卡马克
各位老师，大家好，我来自中国科学院等离子体物理研究所。今天，我将给大家简单介绍磁约束核聚变技术的发展历史和现状。
一、什么是磁约束核聚变
随着人类社会的进步和经济的发展，未来世界的能源需求是非常巨大的，然而地球上传统化石能源的储量非常有限，随着消耗的不断增加，余量将会越来越少，可以预见，核能将是未来能源构成中的重要组成部分。
图 1. 世界能源消耗总量变化趋势
核能可以分为两种，一种是由重原子分裂变成轻原子，期间释放大量的能量，称为核裂变，原子弹就是利用了核裂变技术，目前的核电站也都是利用裂变反应。另一种是由较轻的原子，聚合生成较重的原子，同时释放大量的能量，称为核聚变。氢弹就是核聚变技术的成功应用。
图 2. 核聚变和核裂变原理示意图
相比于核裂变，核聚变具有很多优势。首先，核聚变产生的能量比核裂变大的多，1克U235发生裂变产生的能量相当于1.8吨汽油燃烧产生的能量，而1克氘氚聚变产生的能量等效于8吨汽油，1952年11月1日美国在太平洋的恩尼威托克岛上成功引爆了世界上的首枚氢弹，其爆炸威力相当于广岛原子弹的500倍。其次，核聚变的原料储量更加丰富和廉价，氘氚聚变反应中的氘可以直接从海水中提取，一升海水提取出的氘相当于340升汽油，可以说是取之不尽用之不竭；氚则需要利用中子与锂的反应来获取，地球上锂的储备也很充足，至少可以使用千年以上。此外，核聚变也更加清洁环保和安全，不存在核裂变中的原料泄露、核废料处理等问题，也不存在失控的风险，因为核聚变的产物主要是氦气，既没有放射性，也不会造成温室效应和环境污染，原料氚的半衰期相对固体核裂变原料也短得多，一旦发生危险，可以通过熄灭等离子体的方式迅速终止核反应。
然而，想在地球上要实现受控核聚变并非易事，需要将氘氚气体加热到1亿度以上，在如此高的温度下，电子将会脱离原子核的束缚，使得材料进入等离子体态，而如何约束如此高温度的等离子体就是受控核聚变需要解决的核心难题之一。目前，主流的约束方式有两种，即惯性约束和磁约束。惯性约束是将氘氚混合物制成纳米级的靶丸，采用高能激光从四周进行对称照射，瞬间产生高温高压环境，引发核聚变反应。这种约束方式注定只能以脉冲的形式运行，氘氚燃烧时间很短，仅在皮秒量级，很难作为能源实现持续的能量输出。磁约束是利用高强度的磁场，将等离子体约束在规定区域。根据电磁理论，带电粒子只能围绕磁力线做拉莫回旋运动，如果把磁力线弯曲成封闭的环形，那么就可以把等离子体长时间的限制在真空室内，发生持续的核聚变反应。
图 3. 惯性约束（左）和磁约束（右）核聚变装置示意图
磁约束核聚变装置有多种形式，托卡马克就是其中一种，也是最有希望实现可控聚变能的磁约束装置。自上世纪60年代以来，世界各国已经陆续建成了众多的托卡马克装置，并取得了突破性进展。
图 4. 托卡马克装置JET（欧洲联合环）
二、我国磁约束聚变研究及EAST
中国目前正处于迅速发展时期，对能源的需求格外突出，核聚变能成为国家未来能源的重大战略需求，是国家核能发展规划三步走中的最后关键一步。
中国科学院等离子体所的EAST是国家大科学工程装置，也是世界上首个大型全超导托卡马克。其直径3.4米，经过二期升级以后，磁场强度可达到4特斯拉，等离子体电流1.5兆安，加热功率达到30兆瓦。EAST的设计目标是实现稳态 1000s 高参数等离子体 ，为未来聚变堆稳态等离子体运行提供关键技术和理论支撑。
图 5. 我国的超导托卡马克装置EAST
偏滤器是托卡马克装置中的核心部件之一，需要直接面对等离子体的轰击，承受着来自等离子体90%的热流和粒子流。EAST目前采用的是国际上最先进的固态钨铜偏滤器，其外表面采用钨材料，内部采用铜管进行散热，可以承受10MW/m2的热流密度。
图 6. 托卡马克装置中的偏滤器示意图
考虑到锂与等离子体具有良好的相容性，我们也尝试了对第一壁（面对等离子体材料）进行实时锂化处理，开发了完善的锂涂覆系统，实现了对整个真空室的全方位均匀锂涂覆。解决了EAST装置H模获得、稳态维持及性能提高的关键性问题，使得EAST成为世界范围内氢氘比低于10%的少数几个托卡马克装置之一，为EAST获得411秒最长脉冲偏滤器等离子体（L模）、创纪录101.2秒H模提供了重要基础条件。
边界局域模（ELM）是伴随等离子体高约束模的一种强流不稳定性，其瞬态热负荷可达到10MW/m2以上，很容易造成材料的腐蚀、损伤。如何有效控制ELM，是磁约束核聚变领域的另一个难题。我们经过不断探索，通过采用40μm锂粉连续注入的方法，首次获得了创纪录、可重复、持续18秒完全抑制ELM的H模放电，同时也发现了全新的相关物理机制，作为这一技术的推广，美国的科研团队在聚变装置DIII-D上参考EAST的实验系统和方法，获得了350ms完全抑制ELM的H模放电。
图 7. 边界局域模ELM示意图
截止目前，我们已经在EAST装置上开展了13轮物理实验，总放电超过80000次，取得了一系列标志性成果。
图 8. EAST运行里程及标志性成果
三、国际热核聚变实验堆
国际热核聚变实验堆（ITER）是我国参与的最大的国际合作项目，总投资超过100亿欧元。ITER装置主机外围直径28米，高29米，重23000吨，位于法国南部的Cadarache，原计划于2018年建成，但由于难度过大，现推迟到2025年完工。ITER项目的设计目标是实现聚变点火，并维持等离子体燃烧400秒，聚变增益达到10，输出功率达到500兆瓦。参与国包括中国、欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国、印度。值得一提的是美国曾于1998年宣布退出ITER计划，但是又于2013年重新回到该项目，证明磁约束核聚变技术的前景值得期待。我国于2003年1月申请加入ITER计划，目前承担9%的建设费用，主要以实物贡献为主，包括超导磁体、电源等。
图 9. 国际热核聚变实验堆ITER模型图
四、中国聚变工程实验堆
我国将基于托卡马克装置的磁场位形结构，借鉴过去几十年磁约束核聚变物理及工程技术的研发成果，在合肥研发建设下一代聚变堆装置CFETR。要求能够产生约200 - 1500 MW的聚变功率，实现增益因子Q =3-30，占空比（duty factor）≧ 50% 的年有效稳定自持燃烧，同时还要实现燃料氚的自持，氘氚运行期间要求氚的总体增殖率≧ 1。
图 10. 中国聚变工程实验堆CFETR模型图
【邀请报告】
倪明玖：液态金属磁流体力学效应
各位老师，上午好，非常感谢大家的到来。刚刚胡建生研究员已经对磁约束核聚变技术做了详细了的介绍，我将围绕磁流体力学，介绍一下我们课题组近几年的工作进展。
一、托卡马克装置中的液态金属
包层是托卡马克装置中的另一核心部件，根据内部的介质材料，包层分为固态和液态两种，对于液态包层而言，通过在其内部通入含有液态锂的金属流体，利用中子和锂的反应来实现氚的增殖和能量转化。然而，不幸的是，由于在托卡马克装置内部存在很强的磁场，强磁场会在流动的液态金属内部产生感应电流，从而产生电磁力，阻碍流体的流动，这一效应称为磁流体力学（MHD）效应。此外，由于中子携带着80%的聚变能量，包层内会由于不均匀地吸收中子而存在很大的温差，造成浮力和粘性力的剧烈变化，造成流动失稳，称为Marangoni效应。在磁流体力学中，表征磁场强度的无量纲参数称为哈德曼数（Ha），表征温差效应的无量纲参数为格拉晓夫数（Gr）。在未来聚变装置中的典型工况下，Ha数约为104~105，Gr数约为1011~1012，在这种工况下的磁流体力学现象，无论在实验上还是数值模拟上，目前都没有得到很好的解释，给未来的聚变堆设计带来很大的挑战。
图 11. ITER装置中的包层模块（红色部分）
另一方面，在高能中子的辐照下，很多固体材料都会发生严重的性能退化，鉴于此，液态偏滤器的概念应运而生。然而，在磁场作用下，偏滤器表面的液态金属同样受到强烈的电磁力作用，引起一系列MHD效应，使得液态金属的均匀流动和铺展都存在很大困难。此外，液态偏滤器还要承受高能等离子体的轰击，能量的沉积会引起液态金属表面的气化相变和流体内部的温差效应，等离子体中的氘也可以与锂反应生成氘化锂，氘化锂聚集成固体颗粒，影响液态锂的流动传热性能。
图 12. 美国PPPL的NSTX液态锂偏滤器
二、MHD效应的数值模拟
为了揭示液态金属在聚变堆环境下的流动传热机制，我们发展了一系列高效高精度的数值计算方法，考虑了强磁场、高温等离子体轰击、大热流密度沉积等典型磁约束核聚变环境因素的影响，搭建了系统的软件平台，可以用来模拟考虑MHD效应的自由界面问题、动边界问题，以及湍流问题等。
液态包层可以简化为方腔流动，当存在强磁场时，边界层内的流场结构会变的异常复杂，而且磁场越强，边界层厚度越小，因此对算法的精度和效率也要求越高。在上世纪90年代，Ha数只能算到100左右，当然这也受到当时计算机处理能力的限制。我们课题组在2018年实现了复杂几何构型下Ha=10000条件下的精确模拟，得到了国际同行的认可。
图13. MHD流动模拟的发展历史
湍流是个非常复杂的流动状态，同时也是托卡马克包层中不可避免的物理现象，为了揭示磁场对湍流的影响规律和内在机制，我们首先模拟了法国两院院士Moreau提出的准二维湍流实验。该实验在2001年完成，在随后的近20年间一直没人进行数值模拟。我们近期对这一实验进行了精确的三维模拟，重现了Moreau当年发现的所有物理现象，同时给出了机理上的解释。这一结果得到了Moreau的大力赞赏。
图 14. 准二维湍流实验模型
三、磁场环境下的液态金属实验
在磁约束核聚变装置中开展MHD实验是非常困难的，同时也是非常昂贵的。为了理解磁流体力学的基本物理规律，我们搭建了两个液态金属回路。其一是常温镓铟锡回路，采用电磁泵驱动，在磁场中形成薄膜流动，用以模拟液态偏滤器的工作状态。实验结果表明磁场会引起很强的流动阻力，使得薄膜变厚，同时也可以抑制流动失稳，使得三维表面波动转化为二维波动。
图 15. 液态镓铟锡实验回路
另一个回路是高温液态锂回路。锂是液态偏滤器的主要备选材料。从实验结果来看，液态锂在大部分固体材料表面都表现出不浸润的特性，因此很难形成大面积稳定铺展的液态锂膜流，而磁场的存在使得这一问题变得更加严重。
图 16. 液态锂实验回路
【讨论与交流】
马晖杨：听了胡建生研究员和倪明玖教授的报告，我学到了很多知识，同时也深受鼓舞。受控核聚变是解决未来人类能源危机的重要途径之一，这其中涉及到高温、高压等极端环境，可以想象其中的难度必然是相当大的。从报告中我们了解到我国在核聚变领域已经取得了很多国际领先的科研成果，这正体现了我国科研工作者的创新精神，也正是这种创新精神，使得我国能在群雄逐鹿的世界科技舞台上占有一席之地。我有个小小的建议，中国科学院老科协能不能利用自身的优势资源，为我国在受控核聚变领域取得的卓越成果多做宣传，我想这既能鼓舞我国科研工作者更好地坚持科技创新的道路，也能激发大家的爱国激情。
张谦琳：非常感谢两位专家给我们介绍了国际前沿课题，我有两个问题，一是托卡马克装置用是不是用了高温超导技术？其次，在实验室取得的一系列科研成果，如何应用到实际工程上去？
胡建生：EAST装置是利用超导线圈提供强大的磁场，用以约束高温等离子体。磁约束核聚变技术的发展极大地带动了国内超导技术和工业的发展，在建设EAST之初，我国超导材料的年产量不超过1吨，而现在年产量已经上万吨，过去我国核磁共振装置中的超导材料和技术主要依赖进口，而现在几乎都已经完成国产化。
卢文强：磁约束核聚变装置中存在超高的热流密度和上亿度的高温，在这种极端条件下，经典的传热学基本理论是否仍然适用可能需要进一步的验证，例如在温度测量中经常用到的傅里叶定律，在超常传热问题中就不一定适用，你们是如何测量的？
胡建生：高温等离子体的温度测量主要采用激光测量技术，即：发射一束激光穿透等离子体，然后对反射光谱进行分析，从而确定等离子体的温度，从实际的应用来看，测量结果还是非常精确的。
倪明玖：虽然核聚变装置中芯部等离子体的温度可以高达上亿度，但是温度的变化梯度也很大，当边界等离子体到达在第一壁时，温度已经不高了，但是高热流密度一直是个核聚变技术的核心问题之一，例如在ITER装置中，正常工况下第一壁接收到的热流密度大约为1MW/m2，偏滤器部位大约为10MW/m2，等离子体失稳时，热流密度可高达103-104MW/m2。常规材料在这么高的热流密度作用下都会出现一定的问题，国内外也一直寻求解决方案，这也正是液态锂偏滤器受到越来越多关注的原因之一。
刘世祥：我最近看到一篇报道，提到了一种等离子体喷枪技术，据说可以实现核聚变，而且产生的能量比输入的能量高，那么在科学界，除了报告中提到的磁约束和惯性约束，是否还存在其他的途径可以实现受控核聚变？
胡建生：实际上实现核聚变反应的途径有很多，托卡马克只是其中最有前途的一个。从原理上讲，只要等离子体的温度足够高，密度足够大，就可以触发核聚变反应，但是如何实现持续的、可控的聚变过程，就非常困难了。美国在上世纪90年代也对磁约束核聚变技术失去过信心，因此退出了ITER计划，转而支持很多小型的聚变技术研发，但是现在又重新加入ITER计划，一方面说明了受控核聚变的实现非常困难，另一方面也说明磁约束核聚变技术的前景值得期待。
刘铨良：我认为人造太阳最终一定会实现的，所以中国一定不能落后，一定要大力发展，但是，核聚变的原料，我国有多少？可以使用多少年？
胡建生：未来的核聚变反应堆主要利用氘氚反应，氘可以从海水中提取，可以说是取之不尽用之不竭，氚可以利用聚变产生的中子与锂反应来获取，理论上来说可以实现自给自足，而锂在自然界的储备足够全世界使用上千年。
刘铨良：众所周知，我国的传统能源状况不容乐观，石油和煤炭储量都严重不足，依赖大量进口，但是最近有报道指出发现了新能源，页岩气，可以使用上百年，这些能源是否可以解决我国的能源危机？
胡建生：全世界的传统化石能源还可以使用300年左右，但是随着科技的进步，人类会不断的发掘出新的能源形式，例如页岩气、可燃冰等，这些新能源是否能够解决人类的能源危机现在还未可知，但是，相比这些化石能源，核聚变能仍然有很多优势，例如对坏境的保护，核聚变不排放温室气体，也不存在过度开采自然资源的问题，其次，一旦受控核聚变技术得以实现，那么世界范围内的能源问题就能得到很大程度的解决，也避免了因争夺能源而引发的战争。
张瑜：首先感谢两位一线科学家的报告，我有个小问题，如果受控核聚变技术研究按照计划顺利进行，那么对实际应用有什么预期？
胡建生：ITER计划2036年实现氘氚运行，此后再过10年，ITER项目的所有科学目标应该都已经实现，相关的原理和技术已经基本掌握，随后就可以开始建设商业演示堆，并基于演示堆把细节问题全部解决，然后就可以建设真正的商业聚变堆，开始进行商用发电。目前聚变界普遍相信能够在2050年实现能量增益大于1的长脉冲稳态聚变反应
卢文强：国家在聚变技术研究中投入了这么多资金，有没有副产品？
胡建生：可以说有。正如之前所说，国内核聚变技术的发展带动了很多技术和产业的发展，例如超导、超低温技术，以及机械加工技术，我们研究所的机械加工水平在很多方面已经处于世界领先水平，现在已经开始承接美国很多大科学装置的加工工作。
桂文庄：受控核聚变技术目前面临的最大的困难是什么？
胡建生：首先，第一壁材料的选择是一大难题，固体材料在中子辐照、等离子体轰击、高热流密度的联合作用下，很难保证长时间的有效，液态第一壁可以很好的解决固态壁面临的问题，但也存在很多其他的问题，例如MHD效应等。其次，目前的聚变实验绝大部分都是氘氘反应，氘氚反应很少，因此α粒子和中子产额很低，按照目前的设想，α粒子要用来加热等离子体，实现自持燃烧，这一过程是否可以真的可行，是否还存在其他的未知问题，现在还未可知，中子源的缺乏，也使得对材料辐照损伤的研究不够透彻。
桂文庄：在报告中有提到EAST装置实现了100s的高约束模放电，这具体代表了什么意思？在这100s放电过程中，是否发生了核聚变反应
胡建生：高约束模是指等离子体的约束性能参数比较高，例如我们在EAST装置上实现的高约束模，等离子体芯部温度高达5000万摄氏度，在维持这么高的温度不变的情况下，等离子体持续燃烧100s，实现这一点实际上是非常困难的，在实际的等离子体放电过程中，受到热平衡、杂质等诸多因素的影响，等离子体很难维持长时间的燃烧。关于聚变反应，在我们的实验中，聚变反应应该是很少的，因为我们采用的只是氘等离子体，还没有氚，而氘氘的聚变反应截面要小得多
刘世祥：虽然核聚变比核裂变产生的能量更高，但是核聚变装置的复杂度是不是也比核裂变更高？建设核聚变堆是否经济划算？。
胡建生：从目前的研究进展来看，聚变装置确实比裂变装置复杂的多，但是，裂变堆存在一定的安全隐患，聚变堆相对安全的多。
丁亦兵：根据我的理解，聚变比裂变难得多，裂变是自然发生的，裂变材料在常温常压下就可以不断地发生裂变，我们要做的仅仅是控制裂变的速度，而聚变必须在极端条件下才能发生，同时还要控制反应的速率，难度比裂变大很多倍。今天我最大的收获是了解了核聚变技术的最新进展，知道了现在已经可以实现长达100s的可控核聚变反应，这是一个非常伟大的成就。然而相关的科普工作还很缺乏，希望以后能够加强，让更多民众了解我们的真实科研水平。
林秋雁：核聚变能是不是也是有限的？
桂文庄：聚变的原料一个是氘，可以从海水中提取，几乎是无限的，另一个是氚，可以通过中子和锂的反应来制取，锂在自然界的储量也是巨大的，所以核聚变能可以认为是无限的。
张瑜：听了精彩的报告和大家的讨论，我想说三点：一是核聚变项目都是大项目，希望能够在立项前认真论证，对必要性、可行性进行充分的讨论分析；二是希望可言工作者对核聚变技术保持乐观态度，其他科学技术的发展，也会在一定程度上促进核聚变技术的发展，或许在不久的将来就能实现；三是想对两位报告人表达衷心的敬佩，当今社会大部分人都急功近利，两位科学家能够潜心基础科学研究，值得我们敬佩和学习。
桂文庄：这次沙龙的选题非常好，核聚变技术是关系到人类发展的重大问题，有希望解决未来的能源危机。受控核聚变目前主要有两种方式，也就是磁约束和惯性约束，美国花费了大量的人力物力发展惯性约束技术，结果发现难度非常大，而且由于采用激光进行脉冲式点火，很难实现持续的聚变反应，相对而言，磁约束的前景要好的多。今天我们邀请的两位报告人学术水平很高，给我们介绍了磁约束核聚变领域最新最前沿的科技成果，让我们受益匪浅，符合科学技术前沿沙龙的定位。我注意到今天不仅来了很多老同志，也有很多年轻的同志，大家互相学习探讨，气氛非常热烈，这要感谢这次沙龙组织者的精心策划和辛苦付出。很期待国科大离退休办公室将来能够组织更多类似的学术沙龙。
孙建国：通过这次沙龙，我发现咱们国科大离退休的老教授们非常活跃，非常有思想，希望老专家们今后能够继续发光发热，为我国的科学技术发展做出贡献。
