可控核聚變，可以帶來清潔和近乎無限的能源供應(yīng)，一直都被寄予“解決全球能源問題”的期望。但是，人類奮斗了幾十年，商用核聚變能源還是離我們很遙遠(yuǎn)。

未來的聚變堆能否不再龐大和昂貴？核聚變未來的發(fā)展方向是什么？小編今天帶你詳細(xì)了解下。

一項(xiàng)新科技剛出現(xiàn)的時(shí)候往往比較龐大和昂貴。未來有沒有商業(yè)潛力，要看是原理上的限制還是當(dāng)時(shí)技術(shù)上的限制。如果沒有原理上的限制，而已經(jīng)明確預(yù)見到技術(shù)上有突破的可能，那么其前景是非常值得期待的。例如，世界上第一臺(tái)電腦“嬰兒”于1946年2月14日在美國賓夕法尼亞大學(xué)誕生[1]。它是一個(gè)龐然大物，用了18000個(gè)電子管，占地170平方米，重達(dá)30噸，耗電功率約150千瓦，因易發(fā)熱，不能長時(shí)間工作。它每秒鐘可進(jìn)行5000次運(yùn)算，這在現(xiàn)在看來微不足道，還不如一個(gè)兒童智能手表的運(yùn)算能力。這才過去了短短70年的時(shí)間。

30年前磚頭大小的“大哥大”現(xiàn)在只能在老電影里看到，曾幾何時(shí)是人們炫富的工具。今天幾乎人手一部小巧的智能手機(jī)。

這些新科技之所以發(fā)展這么快，因?yàn)闆]有原理上的限制，而技術(shù)突破在當(dāng)時(shí)已經(jīng)能夠被預(yù)見到。核聚變能源正是這樣的一項(xiàng)新科技。

太陽的能量來自核聚變反應(yīng)。根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能關(guān)系E=mc2，質(zhì)量損失，可釋放出巨大能量。平均一克氘氚核聚變?nèi)剂袭a(chǎn)生的能量相當(dāng)于燃燒8噸汽油的能量。

聚變能燃料豐富。海水中含有大量的核聚變?nèi)剂稀獨(dú)涞耐凰亍半薄Ｒ簧Ｋ泻?0毫克氘，所含的氘完全聚變所釋放的能量相當(dāng)于燃料340升汽油的能量。海水中氘的總量約40萬億噸。按目前世界消耗的能源計(jì)算，海水中氘的聚變能可用幾百億年[2]。

聚變能清潔、安全。核聚變不產(chǎn)生直接放射性核廢料，產(chǎn)物是不具有放射性的氦氣，具有固有的安全性；不產(chǎn)生二氧化碳等大氣污染物；非常容易通過熄滅等離子體的方法快速終止核聚變反應(yīng)，不存在反應(yīng)失控的危險(xiǎn)。因此，核聚變是解決人類能源危機(jī)，戰(zhàn)勝環(huán)境污染問題的重要途徑。核聚變能是中國核能發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，被列入了國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃。

高溫下核聚變?nèi)剂咸幱诘入x子體狀態(tài)。目前的主流方法是用磁場(chǎng)把等離子體約束在一個(gè)裝置里，實(shí)現(xiàn)可控的核聚變反應(yīng)。未來將以聚變堆為核心建造GW量級(jí)的大型發(fā)電站。

圖片來自[3]

石油、煤和天然氣等化石能源的使用帶來了環(huán)境污染問題。伴隨全球人口增長、社會(huì)發(fā)展，人類對(duì)能源的需求將持續(xù)增長。政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）研究表明，如果要把二氧化碳CO2綜合排放量控制在<450ppm水平，到2100年全球每年需要25000GW非化石能源，是目前能源消耗量的6倍，年投資額預(yù)計(jì)將達(dá)到17萬億人民幣[4]。

圖片來自[4]

單個(gè)聚變堆產(chǎn)生的能量巨大，適合建大型電站，在未來的能源結(jié)構(gòu)中具有不可替代的位置。

托卡馬克裝置利用螺旋形磁場(chǎng)約束高溫等離子體，使其不與裝置的內(nèi)壁直接接觸，實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)，被稱為“人造太陽”，是人類最有希望實(shí)現(xiàn)聚變能和平利用的科學(xué)途徑。下圖粉紅色的區(qū)域是托卡馬克里的等離子體，類似一個(gè)甜甜圈的形狀。

人類探索受控核聚變始于上世紀(jì)50年代。自從前蘇聯(lián)發(fā)明了托卡馬克，磁約束核聚變研究便進(jìn)入了高歌猛進(jìn)的時(shí)代。大家都知道個(gè)人電腦CPU芯片的更新速度很快，但大家并不知道，近50年，托卡馬克等離子體的性能提升速度比CPU芯片還要快。

目前托卡馬克裝置所獲得的等離子體參數(shù)距離聚變堆條件還有一步之遙。其它的磁約束裝置，除了仿星器與球形托卡馬克之外，在參數(shù)上都還有量級(jí)上的差距。下圖顯示國際上主要托卡馬克裝置的等離子體聚變?nèi)朔e（溫度×密度×能量約束時(shí)間）和中心離子溫度。

上世紀(jì)80年代，國際上建成了三個(gè)較大的托卡馬克裝置：美國的TFTR，歐盟的JET和日本的JT-60U[5]。

1996年，日本JT-60U達(dá)到等效能量得失相當(dāng)，即聚變產(chǎn)出的能量超過了輸入的能量；這個(gè)裝置曾達(dá)到4億度的中心離子溫度[6]。1997年，JET獲得聚變功率16.2兆瓦[7]。這些實(shí)驗(yàn)證實(shí)了核聚變作為能源原理上的可行性。

參數(shù)上僅次于托卡馬克的是仿星器和球形托卡馬克。德國的W7-X是目前最先進(jìn)的超導(dǎo)仿星器[8]。

其聚變?nèi)朔e有望達(dá)到JET的水平，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。相對(duì)于日本的大螺旋裝置LHD，W7-X的新經(jīng)典輸運(yùn)和磁剪切優(yōu)化到了非常小的水平。

仿星器相對(duì)于托卡馬克最大的優(yōu)勢(shì)是沒有電流引起的等離子體大破裂，沒有托卡馬克中存在的密度極限問題。但是仿星器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建造難度大，對(duì)加工精度和技術(shù)水平要求很高，無法做到托卡馬克那樣緊湊，因此用仿星器建造的聚變堆必然比托卡馬克更加龐大和昂貴。此外，其磁場(chǎng)波紋度較大，高能粒子損失較嚴(yán)重，利用alpha粒子加熱實(shí)現(xiàn)自持燃燒的條件更加苛刻。

球形托卡馬克比托卡馬克更加緊湊，但中心導(dǎo)體柱電流密度的限制使得它很難實(shí)現(xiàn)很強(qiáng)的磁場(chǎng)。例如，兩個(gè)基于水冷銅導(dǎo)體設(shè)計(jì)的球形托卡馬克聚變堆：普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室（PPPL）設(shè)計(jì)的聚變核科學(xué)裝置ST-FNSF[9]，如下圖所示；以及球形托卡馬克的倡導(dǎo)者彭元?jiǎng)P及其同事設(shè)計(jì)的部件測(cè)試裝置ST-CTF[10]。其磁場(chǎng)強(qiáng)度均只有B0~3T。

圖片來自[9]

球形托卡馬克的中心導(dǎo)體柱、中心極向場(chǎng)線圈及其絕緣材料暴露在中子輻照下，如用超導(dǎo)材料，壽命很短，即使用銅，也必然要頻繁更換。如果要靠水冷把中心銅導(dǎo)體柱產(chǎn)生的熱量及時(shí)帶走，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，電流密度就不能很大，限制了可達(dá)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度。而聚變功率正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度的4次方。此外，熱流與偏濾器靶板的作用面積較小，熱負(fù)荷與普通托卡馬克相比更具挑戰(zhàn)。

球形托卡馬克的主要優(yōu)勢(shì)是：因?yàn)榫o湊，所以單位面積的中子通量大，特別適合作為聚變中子源，為聚變核科學(xué)技術(shù)研究提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。但中子通量大對(duì)于穩(wěn)態(tài)聚變堆是不利的，因?yàn)橹凶颖谪?fù)載太高，沒有材料能長時(shí)間承受得住。聚變中子源還有很多聚變能之外的應(yīng)用，例如物質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)及裂變核廢料嬗變等。此外，球形托卡馬克可以實(shí)現(xiàn)很高的比壓，具有經(jīng)濟(jì)性上的優(yōu)勢(shì)。

TFTR，JET和JT-60U這三個(gè)托卡馬克裝置都是用銅導(dǎo)體線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)來約束高溫等離子體。因?yàn)殂~線圈通電會(huì)發(fā)熱，消耗的能量將超過核聚變產(chǎn)生的能量，而且要把銅線圈產(chǎn)生的熱量及時(shí)帶走，需要過于龐大的冷卻系統(tǒng)，因此這些裝置只能短時(shí)間（~十秒）運(yùn)行。而超導(dǎo)線圈的電阻很小，消耗的能量很低，只有超導(dǎo)裝置才能產(chǎn)生凈余的能量，并可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。未來聚變堆需要穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，持續(xù)不間斷地向電網(wǎng)輸送電能。因此超導(dǎo)裝置是核聚變作為能源應(yīng)用的必由之路。

受到TFTR，JET和JT-60U實(shí)驗(yàn)結(jié)果的鼓舞，上世紀(jì)80年代，國際上啟動(dòng)了“國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆”（ITER）計(jì)劃[11]。幾個(gè)大國聯(lián)合起來建造一個(gè)很大的超導(dǎo)托卡馬克裝置，計(jì)劃產(chǎn)生超過Pfusion~500兆瓦的氘氚聚變功率，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)出的能量10倍于輸入的能量（聚變?cè)鲆鍽~10），演示聚變能成為未來商用清潔能源的可行性。

圖片來自http://www./

ITER科學(xué)上的目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)“燃燒等離子體”在400-3000秒時(shí)間尺度的穩(wěn)定運(yùn)行，也就是主要依靠聚變產(chǎn)生的alpha粒子來加熱等離子體，維持聚變反應(yīng)溫度。就像煤球爐，點(diǎn)燃了后，用煤球燃燒產(chǎn)生的熱量來維持煤球的繼續(xù)燃燒。ITER能否成功是關(guān)系到磁約束聚變能否最終走向商業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵一步。

ITER計(jì)劃最初是美國和前蘇聯(lián)提出，作為緩和當(dāng)年冷戰(zhàn)情緒的舉措之一。開發(fā)聚變能是為了全人類共同的利益和未來，超越了國界，而且在這個(gè)研發(fā)階段靠一國的力量難以單獨(dú)負(fù)擔(dān)其成本。ITER是僅次于國際空間站的第二大國際科技合作項(xiàng)目，是中國參加的最大的國際科技合作項(xiàng)目。ITER位于法國南部的Cadarache，將于2025年建成。歐盟承擔(dān)了46%的建造費(fèi)用，其余6方各承擔(dān)9%。中國參加ITER不僅以9%的投入獲得了100%的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，而且因?yàn)楣こ踢M(jìn)度和質(zhì)量在7方中位居前列，通過競(jìng)爭(zhēng)的方式獲得了大量額外的部件研制和建造采購包，創(chuàng)造了可觀的外匯收入。投入的經(jīng)費(fèi)大部分都回流到了國內(nèi)的工業(yè)界，帶動(dòng)了國內(nèi)超導(dǎo)（例如西部超導(dǎo)公司）、大功率電源等產(chǎn)業(yè)的快速壯大和發(fā)展。

早在上世紀(jì)90年代，以霍裕平院士為首的中國老一輩磁約束聚變科學(xué)家看到了超導(dǎo)托卡馬克這一未來發(fā)展趨勢(shì)，從HT-7超導(dǎo)托卡馬克開始，開啟了中國的超導(dǎo)核聚變能源之路。當(dāng)時(shí)美國普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室（PPPL）設(shè)計(jì)了一個(gè)全超導(dǎo)的托卡馬克TPX[12]，可惜美國遇到經(jīng)濟(jì)危機(jī)，國會(huì)消減了聚變研究經(jīng)費(fèi)，沒有付諸建造。中國瞅準(zhǔn)了這個(gè)機(jī)會(huì)，1996年向國家提出了建造世界上首個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克——EAST（東方超環(huán)）的計(jì)劃[13]。自主設(shè)計(jì)建造，自研率達(dá)到95%，于2006年建成。EAST雖然比ITER小很多，等離子體大半徑R只是ITER的30%，但是麻雀雖小五臟俱全，不僅具有類似ITER的超導(dǎo)托卡馬克先進(jìn)結(jié)構(gòu)，而且是目前國際上唯一具有全水冷裝置內(nèi)部部件和類似ITER的等離子體加熱方式，從而具有穩(wěn)態(tài)運(yùn)行能力的托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置。近十年，EAST實(shí)驗(yàn)取得了輝煌的成果，特別是在高約束等離子體運(yùn)行時(shí)間上一直保持世界紀(jì)錄[14]，產(chǎn)生了小幅度邊界局域模高性能穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模式等一批創(chuàng)新成果[15]，引領(lǐng)國際托卡馬克穩(wěn)態(tài)高約束物理研究。

在EAST之后，韓國在美國PPPL的幫助下，在TPX設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，建成了一個(gè)類似規(guī)模的超導(dǎo)托卡馬克KSTAR[16]。日本將其常規(guī)托卡馬克JT-60U改造成了超導(dǎo)托卡馬克JT-60SA[17]，預(yù)計(jì)將于2020年開始運(yùn)行。法國將其縱場(chǎng)超導(dǎo)托卡馬克Tore Supra從限制器位形改造成偏濾器位形，并更名為WEST[18]，與EAST相對(duì)應(yīng)。

磁約束聚變裝置主要靠磁場(chǎng)來約束高溫等離子體。托卡馬克聚變堆單位體積的聚變功率密度正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度的4次方，[19]。如果磁場(chǎng)強(qiáng)度上不去，就只能通過提高體積的方式來獲得所需的聚變功率。可見，提高磁場(chǎng)強(qiáng)度B是縮小托卡馬克聚變堆尺寸R的關(guān)鍵。但是超導(dǎo)臨界電流密度的限制使得低溫超導(dǎo)線圈所能達(dá)到的最高磁場(chǎng)強(qiáng)度非常有限。低溫超導(dǎo)體，如鈮三錫和鈮鈦，當(dāng)電流密度超過一定的值就會(huì)失去超導(dǎo)態(tài)，這使得鈮三錫和鈮鈦磁體分別最高只能達(dá)到Bmax=13.5T和8T。此外，低溫超導(dǎo)材料需要工作在4.5K以下的極低溫條件下，只能用液氦冷卻，而氦是一種較為稀缺的資源[5]。

ITER采用鈮三錫超導(dǎo)磁體，等離子體中心最高磁場(chǎng)強(qiáng)度只能達(dá)到B0=5.3T，這時(shí)線圈的高場(chǎng)側(cè)達(dá)到13T[11]。因此，要達(dá)到500兆瓦聚變功率的目標(biāo)，科學(xué)家不得不將ITER設(shè)計(jì)地很大，等離子體大半徑R=6.2米。而托卡馬克裝置的成本，除去核系統(tǒng)，大致正比于R3。因此，ITER的成本降不下來。可見，正是因?yàn)镮TER采用了低溫超導(dǎo)線圈，才如此龐大和昂貴。要降低成本，減小裝置尺寸，最有效的辦法就是增強(qiáng)磁場(chǎng)。

用銅線圈可以實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的磁場(chǎng)，最高磁場(chǎng)強(qiáng)度Bmax可超過20T，等離子體中心磁場(chǎng)B0可達(dá)~10T。但是因?yàn)殂~線圈通電會(huì)發(fā)熱，在最高參數(shù)下每次只能運(yùn)行20秒左右的時(shí)間，因此銅線圈托卡馬克只能短脈沖運(yùn)行。也不能作為能源，因?yàn)榭紤]到銅線圈消耗的能量，核聚變產(chǎn)生的能量將不足以彌補(bǔ)消耗的能量。給銅線圈托卡馬克聚變堆供電，至少需要1000MVA的電源系統(tǒng)，20GJ的儲(chǔ)能。此外，還有如下一些缺點(diǎn)：銅的機(jī)械強(qiáng)度較差，需要結(jié)合不銹鋼和滑動(dòng)連接等結(jié)構(gòu)，才能滿足強(qiáng)磁場(chǎng)的應(yīng)力要求。每次運(yùn)行銅的溫度變化范圍很大，熱和機(jī)械循環(huán)使得滿負(fù)荷運(yùn)行次數(shù)十分有限。銅線圈降溫需要3小時(shí)的時(shí)間，每次需要消耗25萬升的液氮[20]。

美國麻省理工（MIT）前年關(guān)掉的一個(gè)用液氮冷卻的銅線圈小型托卡馬克Alcator C-Mod可以達(dá)到11T[21]。這個(gè)裝置雖然小，但是保持著磁約束等離子體壓強(qiáng)的世界紀(jì)錄。高電導(dǎo)率鈹銅的市場(chǎng)價(jià)格大約是200元/公斤。而低溫超導(dǎo)鈮三錫線圈的結(jié)構(gòu)和工藝相對(duì)復(fù)雜很多，價(jià)格大約是1萬元/公斤。液氮冷卻的銅線圈是實(shí)現(xiàn)強(qiáng)磁場(chǎng)托卡馬克最廉價(jià)的方式，可以以最低的成本達(dá)到核聚變“點(diǎn)火”所需的等離子體參數(shù)條件，為開展燃燒等離子體物理研究提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

銅線圈托卡馬克提供了一個(gè)相對(duì)成本較低的高通量聚變中子源。聚變產(chǎn)生的中子可用于聚變核科學(xué)技術(shù)研究、物質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)及裂變核廢料嬗變等其它應(yīng)用，具有聚變能應(yīng)用之外的科學(xué)價(jià)值。因?yàn)檫€沒有一個(gè)裝置能產(chǎn)生足夠的中子積分通量，來開展聚變核科學(xué)技術(shù)研究。而IFMIF這種靠加速器打靶的點(diǎn)中子源并不足以驗(yàn)證聚變堆體中子源情況下的聚變核科學(xué)技術(shù)[22]。因此，目前的聚變核科學(xué)技術(shù)還多半處于紙上談兵的狀態(tài)，亟待實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。聚變核科學(xué)技術(shù)裝置是磁約束聚變發(fā)展道路上不可逾越的階段，為發(fā)展聚變材料、部件和氚增值包層提供所需的核環(huán)境，將扮演非常重要的角色[23]。從系統(tǒng)復(fù)雜度的角度，銅線圈托卡馬克比低溫超導(dǎo)托卡馬克低一些，因此發(fā)生故障的概率也低一些，比較適合作為實(shí)驗(yàn)裝置。

銅線圈托卡馬克的另一個(gè)好處是，銅線圈可用Alcator C-Mod的滑動(dòng)插接接頭，可拆開，便于頻繁更換真空室內(nèi)部部件[24]，為開展聚變核科學(xué)技術(shù)研究提供了一個(gè)比較靈活的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。而低溫超導(dǎo)線圈很難做到這一點(diǎn)。

國際上曾設(shè)計(jì)過幾個(gè)瞄準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)火”條件的銅線圈聚變堆，等離子體中心磁場(chǎng)可達(dá)B0~10T，但都沒有付諸建造。

圖片來自[19]

Ignitor[25]是意大利設(shè)計(jì)的，與俄羅斯合作，目前項(xiàng)目處于停滯狀態(tài)。FIRE[20]是美國普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室（PPPL）設(shè)計(jì)的，體積只有ITER的1/25，造價(jià)約為ITER的1/20，設(shè)計(jì)得最充分。可惜，2003年美國考慮到ITER的先進(jìn)性和研發(fā)成熟度，另一方面中國加入ITER對(duì)美國是一個(gè)刺激，美國聚變能科學(xué)顧問委員會(huì)（FESAC）在慎重評(píng)估了利弊得失之后，最終決定再次參加ITER，終止了FIRE項(xiàng)目[26]。可以說美國沒有建FIRE是因?yàn)镮TER吃掉了建FIRE的錢。此外，還有早期的兩個(gè)設(shè)計(jì)：CIT[27]和BPX[28]。

通過上面的介紹，可以看到，磁約束聚變界面臨這樣一個(gè)局面：低溫超導(dǎo)線圈的磁場(chǎng)強(qiáng)度限制使得不得不建ITER這么龐大和昂貴的裝置；而可以達(dá)到10T強(qiáng)磁場(chǎng)的廉價(jià)銅線圈裝置卻不能作為能源，只適合作為實(shí)驗(yàn)裝置和聚變中子源。在山窮水復(fù)疑無路的時(shí)候，核聚變研究領(lǐng)域之外的一場(chǎng)新技術(shù)變革正在悄然來臨，這就是高溫超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)技術(shù)。它將徹底改變磁約束聚變的游戲規(guī)則。

高溫超導(dǎo)導(dǎo)線的工作溫度、臨界電流密度、最高磁場(chǎng)強(qiáng)度參數(shù)范圍比低溫超導(dǎo)導(dǎo)線有了很大的擴(kuò)展[29]。

圖片來自[19]

不僅可以工作在更高的溫度下，而且當(dāng)在低溫下工作時(shí)，可以達(dá)到更高的電流密度，因此可以實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的磁場(chǎng)。2019年6月12日，Nature期刊報(bào)道美國國家強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室用YBCO高溫超導(dǎo)和銅的混合磁體實(shí)現(xiàn)了45.5T的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)世界紀(jì)錄[30]。這個(gè)線圈的孔徑很小，孔徑越大應(yīng)力問題越嚴(yán)峻。用高溫超導(dǎo)導(dǎo)線制造強(qiáng)磁場(chǎng)大線圈的主要技術(shù)限制在于應(yīng)力。目前大孔徑的高溫超導(dǎo)線圈技術(shù)還未成熟，但包括美國麻省理工（MIT）、中科院等離子體物理研究所（ASIPP）在內(nèi)的國內(nèi)外多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)正在積極攻關(guān)。

采用更強(qiáng)的磁場(chǎng)不僅可以減小聚變堆的尺寸和造價(jià)，而且還有其它多方面的好處[29]。強(qiáng)磁場(chǎng)可以使托卡馬克運(yùn)行在：1、較大邊界安全因子條件下，將顯著降低等離子體發(fā)生大破裂的風(fēng)險(xiǎn)，大破裂是托卡馬克的主要弱點(diǎn)之一；2、小幅度邊界局域模（ELM）高約束模式下，避免大幅度ELM產(chǎn)生的瞬態(tài)熱負(fù)荷對(duì)偏濾器靶板的侵蝕；3、較高密度條件下，有利于提高聚變功率和對(duì)高能粒子的約束，并有利于偏濾器進(jìn)入脫靶狀態(tài)，降低熱流對(duì)靶板的侵蝕；4、先進(jìn)托卡馬克（AT）運(yùn)行模式下，有利于實(shí)現(xiàn)高性能穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

2018年美國國家科學(xué)院發(fā)布了長達(dá)252頁的“美國燃燒等離子體研究戰(zhàn)略規(guī)劃委員會(huì)最終報(bào)告”[31]。得出兩個(gè)結(jié)論：1、美國留在ITER里是獲得燃燒等離子體經(jīng)驗(yàn)最劃算的方式；2、美國應(yīng)該啟動(dòng)建造最低成本的緊湊型聚變?cè)囼?yàn)電站（CPP）的國家計(jì)劃。這個(gè)CPP是用高溫超導(dǎo)線圈建造一個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度是ITER一倍（>10T）但體積是ITER的1/8的托卡馬克聚變堆，正是美國麻省理工（MIT）設(shè)計(jì)的ARC的規(guī)模[32]。

MIT一直沿著緊湊型強(qiáng)場(chǎng)托卡馬克這條主線發(fā)展，最先看到了高溫超導(dǎo)強(qiáng)場(chǎng)這一發(fā)展趨勢(shì)。MIT的Alcator C-Mod裝置被關(guān)掉了，近兩年MIT積極探索了一系列的創(chuàng)新技術(shù)[33]，基于二代高溫超導(dǎo)帶狀導(dǎo)線REBCO，設(shè)計(jì)了聚變功率Pfusion>50兆瓦、聚變?cè)鲆鍽>2的小型聚變?cè)囼?yàn)堆SPARC[34]和聚變功率Pfusion>200兆瓦、聚變?cè)鲆鍽>10的聚變商業(yè)示范堆ARC[32]。

圖片來自[19]

SPARC設(shè)計(jì)磁場(chǎng)B0=12T，等離子體大半徑只有R=1.65米，等離子體體積只有11立方米，與EAST差不多，是ITER的1/80。雖然這么小，但是預(yù)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)燃燒等離子體。MIT得到了私營公司Commonwealth Fusion Systems（CFS）的資助。一期投資8千萬美元，主要用于研發(fā)高溫超導(dǎo)線圈[29]。

ARC設(shè)計(jì)磁場(chǎng)B0=9.2T，等離子體大半徑R=3.3米，等離子體體積140立方米。預(yù)計(jì)造價(jià)55億美元。之所以這么貴，主要是因?yàn)槟壳案邷爻瑢?dǎo)導(dǎo)線還很貴。他們?cè)O(shè)想未來的聚變電站由多個(gè)ARC規(guī)模的200兆瓦的模塊化聚變堆構(gòu)成。ARC的高溫超導(dǎo)線圈采用了創(chuàng)新的接頭連接技術(shù)，可拆開，非常便于真空室內(nèi)部部件的維護(hù)和更換，這對(duì)于一個(gè)實(shí)用的核裝置，是一個(gè)非常大的優(yōu)勢(shì)。

近幾年，高溫超導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展迅速。不僅美、日、韓、德有多家企業(yè)，國內(nèi)，上海超導(dǎo)和蘇州新材料研究所都已研制成功千米級(jí)二代高溫超導(dǎo)帶狀導(dǎo)線REBCO，并實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化銷售。但目前價(jià)格還比較貴，大約200元/米。高溫超導(dǎo)線圈的成本比低溫超導(dǎo)線圈高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。但因?yàn)楦邷爻瑢?dǎo)有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，如直流輸電、超導(dǎo)磁懸浮列車、超導(dǎo)電機(jī)、超導(dǎo)發(fā)電機(jī)、超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)故障電流限制器、超導(dǎo)電纜，以及高磁場(chǎng)核磁共振成像NMR/磁共振成像MRI等，市場(chǎng)需求潛力巨大。考慮到目前高溫超導(dǎo)線圈的技術(shù)水平和成本，比較適合建造小型的托卡馬克、仿星器或磁鏡等穩(wěn)態(tài)磁約束聚變實(shí)驗(yàn)裝置，瞄準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行目標(biāo)，并及時(shí)啟動(dòng)高溫超導(dǎo)聚變堆設(shè)計(jì)的國家計(jì)劃。未來10年，隨著高溫超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，成本的降低，用高溫超導(dǎo)線圈建造聚變堆將變得現(xiàn)實(shí)。

我國的可控?zé)岷司圩儗?shí)驗(yàn)裝置“東方超環(huán)”（EAST超導(dǎo)托卡馬克）的科研人員近期發(fā)現(xiàn)了Grassy ELM高性能穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模式的形成機(jī)理[15]。有望將這種運(yùn)行模式應(yīng)用于未來具有更強(qiáng)磁場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)托卡馬克核聚變反應(yīng)堆，解決瞬態(tài)熱負(fù)荷瓶頸問題。