聚变能源“有进展”最终目标“需要一段时间”

"等离子体"（Plasma）是物质（气、液、固之外）存在的"第四态"，"核聚变"使宇宙的太阳和所有恒星发光发热。就为地球上的人类提供"永恒"的能源而言，受控的"聚变能源"是最终梦想。从"发现"等离子体和核聚变反应算起几十年来，人类一直在为实现受控的核聚变并转化为日常生活须臾不可离的能源（例如电和热）而奋斗。但目前的情况，按照美国核商务通讯记者特格拉 费边（Thecla Fabian）的说法是："全世界聚变研究与发展有显著的进步，但期待的高效、经济发电仍然没有清晰的路径。最近美国聚变会议强调取得成就，也有许多挑战。"[1]

磁聚变中，托克马克仍然是发展的"主打"领域。以国际财团为主、现正在法国建造的国际热核实验堆（ITER）装置占据舞台的中心。ITER总干事伯纳德 比戈（Bernard Bigot）解释了怎样整顿这个多国项目，以应对承诺的成本逐步上升、进度日渐下滑问题，以及早期管理方面的缺陷。去年12月17日在美国华盛顿召开的聚变能源联盟年会（暨学术报告会）上，他的报告指出，ITER委员会将在其2016年中期会议上制订新的项目基线。与此同时，ITER建造和部件制造在全速前进。[2]

美国通用原子公司（General Atomics）副总裁托尼 泰勒（Tony Taylor）说，ITER是聚变能源发展的基本元素、等离子体燃烧科学和聚变技术。他说，托克马克的约束系统有最先进的科学基础，而且自1969年首次引入后有许多进步。ITER将显著地推进聚变科学和技术，而且最重要的是，托克马克是唯一"准备好"的磁聚变概念。

普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）正在进行聚变核科学设施（FNSF）各系统的研究，以填补ITER和"Demo"即"示范聚变电厂"间的差距。FNSF要能连续运行1-15天。为给Demo奠定基础，它将用于：聚变中子辐照（积分通量和dpa数值[3]）；材料开发（构筑物、功能性、冷却剂、增殖、屏蔽等）；运行温度和其他环境变量；氚的行为、控制、库存与核算；需要性能状态下等离子体长期持续时间；等离子体启动技术；示范电厂运作；各个子系统；可利用率、维修、可检测性和可靠性进展。

转入Demo大规模操作和日常发电前，材料开发和测试方面，目标是建立快中子环境和整体环境中部件的数据库。Demo将达到电厂水平的中子损伤，而且需要新的、能在聚变环境下"存活"的材料。

FNSF比Demo小，以较低成本，促进规划"磨合"。这个团队计划的传统长宽比为4[4]；保守的托克马克物理基础扩展到更高的性能；100％无电感等离子体流；高级Nb3Sn制成的低温超导线圈；以及增殖层内的氦气冷却、屏蔽、偏滤器和真空容器。PPPL的查尔斯 凯塞尔（Charles Kessel）说，"净"电力生产不是目标，但这个机器能用于演示电力生产。

将从最初的调试转向氘运行，最终转向2－3年的氘-氚运行。这将填补凯塞尔所说的ITER和Demo之间的"巨大"差距。PPPL团队正尝试着确认FNSF必须示范什么，确认为准备FNSF运行需要的研发规划，并建立FNSF和Demo以及未来聚变发电厂间的联系。

有"可行"的托克马克发电厂吗？

与会的其他发言人对ITER或托克马克概念导致实际聚变能源的潜质不大乐观。上个世纪70年代管理美国聚变能源规划、现在华盛顿特区管理信息服务公司（MISI）高级能源顾问罗伯特 赫什（Robert L. Hirsh）说，到了"面对现实"的时候了，ITER型托克马克永远不会商业上有生命力。然而能提供宝贵的知识和经验。

赫什说，托克马克聚变发电经济的一个大问题，是超导环形磁场线圈加热和冷却需要的时间。中国实验性先进超导托克马克装置(EAST )2006年12月熄灭后，花费了大约18天才从室温冷却到4.5K。据估算，ITER冷却大致要30天。赫什说，在商业电力系统中，30天加热/冷却退出运行"对电厂经济是个很大的、负面冲击"。

可能的监管问题

关于核废物，聚变装置不可能发生失控反应。托克马克装置包含活化金属放射性废物，比用裂变燃料寿命较短，危险较少。然而赫什说，放射性废物处理、储存和处置仍然会是个重要的监管问题

假设ITER级托克马克装置的增殖层，由于辐射损伤，每三年必须更换，一个连续运行的ITER托克马克装置生产的放射性废物会达675吨/年。这比裂变堆还多，后者产生的乏燃料大约150吨/年。赫什说，虽然裂变堆的放射性和毒性比ITER聚变的水平高得多、寿命长得多，核监管部门要求聚变堆的废物用类似的方式加以处理，至少要执行非常严格的标准。

除废物之外，赫什还确认了三个重要的监管问题：超导灭磁、等离子体突发事件和氚控制。

" 监管部门特别关注超导灭磁，它是低概率事件，但随之而来的是爆炸性能量释放。例如，就ITER而言，超导灭磁能释放40GJ以上的能量，或相当于10吨黄色炸药（TNT）。赫什指出，它的爆炸力与二战时代的重磅炸弹相当。ITER级托克马克装置的超导灭磁的爆炸性威胁要适当地被"遏制"。他说，考虑到托克马克装置的尺寸，防爆的安全壳构筑物会极其昂贵。

" 等离子体瓦解是另一个监管部门关注的领域。托克马克装置在限定参数内运行。超过限定的参数，可能突然失去能量约束，称之为"瓦解"。这种突发事件使构筑物和"壁"遭受巨大的热和机械应力。赫什引用哥伦比亚大学物理学家塞拉 按格利尼（Sarah Angelini）的话说："在诸如ITER这种大规模的实验装置内，瓦解能使真空容器和等离子体饰面的部件遭受灾难性破坏。"他还说，监管部门将把焦点放在"瓦解"上，确认所有可能的"触发条件"和潜在的"级联"，并且要求"故障安全"保护。

" 氚通过固体材料扩散，特别是在高温下。真空和给托克马克装置的能量注入口将使氚泄漏进入反应堆大厅，随之将使设备发生故障并损害真空容器。美国核管会（NRC）对辐射工作人员和普通公众的氚剂量限值比已知的、引发人类健康效应的辐射受照水平小得多。监管部门将要求昂贵的"故障安全"保护。

赫什说，社会公众一直"被"告知聚变发电是经济、安全和环境上有吸引力的，也要发出"很可能事与愿违"的警告。电力公司也会清醒地看到NRC的任何限制条件和关注点，他们的兴趣很可能快速消失。

作为发电机组而不是研究装置考虑，托克马克装置还面临重大的可操作性的难题。

作为商业运营期间的重大课题，赫什指的是偏滤器耐用性。最近的研究表明，没有固体材料、包括钨，能在预期的ITER条件下"坚持"一个合理的稳态运行周期。赫什说，2015年美国能源部组织的聚变研讨会[5]断言，托克马克装置偏滤器物理的知识基础还不能详细说明偏滤器的解决方案，"其实，甚至在原理上，我们并不知道有个解决方案"。赫什说，没有偏滤器，ITER级托克马克装置不能运行很长时间。

仿星器示范聚变电厂

欧洲和日本的发言人说，他们曾经考虑ITER之后示范聚变电厂（demo）的"替代"概念。首先考虑的是仿星器、球形托克马克（兼具托克马克装置和仿星器二者的特征）和惯性约束选项。

去年12月10日，FPA（美国聚变能源联盟年会）会议前一周，德国文德尔施泰恩（W）7-X，这个世界最大的仿星器的"首个等离子体"给仿星器作为未来demo装置基础的几个展示报告提供了适宜的背景[6]。W7-X是输运和磁流体动力学（MHD）稳定性数字优化的超导仿星器。PPPL的迈克 乍恩斯托夫（Mike Zarnstorff）说，预期的等离子体最大加热脉冲为30分钟。

乍恩斯托夫说，为使聚变商业上可行，可能需要有仿星器的许多特性。这些包括：没有"突发事件"；没有电流驱动和较高聚变增益的低循环功率；稳态磁场和等离子体；以及持续的高压（β为5％或以上[6]）。但是，仿星器配置必须加以优化，才能获得这些特征，而这是欧盟和日本"咄咄逼人"的仿星器研究规划的重点。

这些国家筹划了个demo路径，包括仿星器选项，而且两国都有大型超导仿星器实验装置：欧洲的W7-X和日本1998年投入运行的LHD（大型螺旋装置）。

日本的demo战略是平行地开发托克马克和仿星器/螺旋器。日本将在2027年评估二者的进展，进而选定demo的方法以及2030年前后的建造安排。

日本计划2017年2月开始LHD氘实验，目前正在做机器升级，以包括中子束注入、电子回旋加速器升温、离子回旋加速器频率范围升温和高级诊断。氘实验的目标是使配置性能最大化，研究等离子体约束的同位素效应，论证高能离子约束并证实建模外推。附带的研究将覆盖高β磁流体动力学（MHD）稳定性和低碰撞特性参数、偏滤器最优化，以及等离子体-容器壁相互作用。

和日本相似，欧盟希望2030年就demo作出决定。欧盟打算在今后14年内开发W7-X类似聚变电厂的基础；开发并论证仿星器demo的发电前景；确认模型和设计方法；开发和论证稳态偏滤器；发电10MW，持续30分钟。

在仿星器研究中，美国的角色更适应基础研究，改善数值建模并生效三维物理认识，改进三维最优化，设计仿星器先导电厂，以及PPPL聚变核科学设施范围界定研究。

PPPL的斯图尔特 普拉格（Stewart Prager）说，在美国，PPPL对球形托克马克和仿星器研究感兴趣， 二者都能导致demo规模的电厂。这个实验室也在从事液态金属研究，作为"第一壁"难题的新颖解决方案。他指出了世界仿星器规划的巨大差距：只有两个大型仿星器，只有一个优化了。这给PPPL采取研究立场留下个"开口"，包括仿星器研究活动中心。他说，仿星器大概是"物理上最佳的聚变概念"。

PPPL最近还完成了它的国家球形托克马克实验装置（NSTX-U）的重大升级，这将有助于建立持续的、高性能的等离子体，作为聚变装置下一步的一个候选，推进了ITER及其以后的环形约束物理和球形托克马克装置。

关键问题是，编制demo计划前仿星器是否需要氘-氚（D-T）运行？

很明显，DT运行能降低风险，但过程增加了一步。2015年3月日本会议的参加者辩论过，确认用于ITER的综合模型和非DT大型实验装置是否能降低这种风险。一般的结论是，需要DT运行，但最终决定将取决于研究的进展。欧盟的demo计划要求仿星器DT运行前，针对设计概念做出决定。

聚变材料

橡树岭国家实验室的史蒂夫 扎克勒（Steve Zinkle）说，聚变发电的所有环境吸引力和经济竞争力直接取决于电厂使用的材料。环境吸引力需要各种材料能保护公众和环境，免除放射性释放和事故。废物应危害小，放射性寿命短；用的材料要低"活化"，而且"捕俘"的氚要少。经济竞争力取决于材料的性能好、使用期长；检修和停役时间短，而且热效率高。

聚变材料开发的重大挑战包括：

" 等离子体面饰部件：钨能没有脆化地起作用"存活"多长时间？

" 氚密封：能研发防止氚泄漏、允许在线提取、进行燃料后处理的材料吗？

" 非结构材料，包括等离子体诊断（例如光纤、电绝缘子）、等离子体加热引线绝缘子和下一代磁系统，以及陶瓷增殖器。正如在demo中预期的那样，现在用的许多材料没有DT环境运行的经验。结构系统设置在第一年能正常工作，但商业系统需要新的、使用期更长的选项。

在结构材料方面，聚变学界可以利用裂变电厂做过的研究，以及美国国家核安全局（NNSA）在惯性约束聚变和武器规划方面正在做的研究和开发。

然而，在其他领域，没有这种强大的协同效应，特别是在氚密封和非结构材料方面。

氚密封是个特殊问题。与未受照的材料相比，强中子轰击产生微观空穴，"扣留"相当大量的氚。凯塞尔曾坦率地说，PPPL的托克马克聚变试验堆有"巨大"数量的空穴，预计诱捕的氚高100倍以上。在demo、甚至ITER那么大的机械内扣留氚的量级，有可能成为公众的安全危害。

研究人员也在对低活化钢材进行研究。凯塞尔说，现在有可能用计算机设计高性能的钢材。热力学计算建模已确认商用9-12％鉻钢新的、潜在的形变热处理工艺，但某些工艺如热轧，对某些产品形态可能难以落实，而且不能用于焊接件。

欧盟研究人员已开始设计下一代减少活化的铁素体-马氏体钢材的规划。这包括开发计算模型，对高温应用选择优化的9％Cr钢。机械性能和微观结构调查还在进行中，辐照试验计划在2016-2017年进行。

聚变研究人员正在考虑更广泛可能的材料，包括先进的陶瓷和其他应用开发的材料。凯塞尔指出通用（GE）与斯奈克玛公司（Snecma）的合资企业开发的、现在有资格用于涡轮喷气发动机的SiC/SiC复合材料。首次部署将是2016年的空客320neo和2017年的波音737MAX。开发商估算，更高的温度和更低的重量产生的燃料节省约为15％。

美国将建设两个新的SiC纤维和CMC（陶瓷基质复合材料）加工厂，生产新复合材料。凯塞尔说，航空工业成功使用复合材料将会激励开发改良的SiC纤维和低价复合材料作其他的应用，也许包括聚变。现在，复合材料的成本比某些应用的金属高100-1000倍。

凯塞尔称他个人对结构材料"看涨"，指的是现成的、核环境应用的高性能结构材料。对这种材料在裂变中子环境的稳定性方面有高度信心，但对聚变，超过5MW-年/平米的实用性还不确定。

日本"示范聚变电厂"要求概略

日本聚变科学家的一个高级团队在去年9月发布的报告中明确，demo的目标是验证聚变能源在经济和社会方面可与其他发电机组竞争。宗旨是以功率级别超过几十万千瓦、稳定而又可靠地发电；适合商用化，而且能增殖足够的氚，使燃料循环自给自足。

日本教育、文化、体育、科技部科学顾问藤原浩 山田（Hiroshi Yamada）主导确立demo需要的技术基础。该团队的报告（英文版）2015年9月26日在网上发布，题目《建立日本聚变demo堆技术基础研发战略》[6]。

山田说，该部要求在开发托克马克装置的同时，"以战略上相联系的方式"开发供选择的概念，如螺旋形和激光系统。

非"主流"聚变技术的"挑战"

上述观点多半针对"官方"主办或资助的大型托克马克装置或仿星器/螺旋装置。在聚变科学界，还有许多非官方资助的小型/非主流聚变科研项目在"窥视"聚变能源的"圣杯"。它们多半由终生献身于聚变科学研究的资深专家、教授主导，有独到的认识和见解，在"独特"的方面狠下工夫。几十年来，特别是ITER进展和技术上出现困难时，突出了这些"非主流"聚变概念的"独到"优势。

最近，英国新创建的托克马克能源公司宣称，要"脱离主流聚变工程学，把新技术引入既定领域，以提升性能、前景和商用潜质"，正在开发以球形托克马克和高温超导为基础的聚变堆概念，"10年之内首次发电，15年之内建成10万千瓦的电厂，并网发电"。[8]此外，许多聚变界科学家认为，"质子-硼-11燃料循环"概念提供了"另外的、潜在地有吸引力的聚变发电的方法"，也许能产生市场可接受的聚变发电概念。[9]

总之，聚变学界非常有信心。尽管还有一段长路，但前景乐观。因为"困难是需要一些时间；不可能是需要一段时间"。

参考资料与注释：

1.Thecla Fabian, Fusion energy goal still elusive, despite progress, NEI, 17 February 2016

2.详见：Bernard Bigot，The ITER Project: Moving Ahead at Full Speed

3. dpa，displacements-per-atom，受辐照材料单个原子因与快中子撞击产生位移的次数，是材料辐照损伤的量度。

4.聚变堆设计的重要参数，指托克马克装置纵向大半径与横向小半径之比。

5.指2015年6月9‐12日，美国21st ITPA meeting on SOL/divertor physics, PPPL, Princeton。

6. β，等离子体"贝塔"，确定等离子体性能的关键参数，等离子体压力与磁场压力之比。

7.指H Yamada，R Kasada，A Ozaki，R Sakamoto，Y Sakamoto，...Development of Strategic Establishment of Technology Bases for a Fusion Demo Reactor in Japan, Journal of Fusion Energy, February 2016, Volume 35, Issue 1, pp 4-26

8. Melanie Windridge and David Kingham，Big dreams for tiny tokamak，NEI，10 February 2016

9. Robert L. Hirsch，Fusion Power Illusions, Delusions, and Hope，POWER February 2016，p.56