谭熠：基于紧凑托卡马克的往复式聚变堆技术及其进展

清华大学工程物理系副教授、星环聚能首席科学家 谭熠：聚变能具有无限清洁、安全、廉价等优点，聚变能是有强烈的理想色彩，同时又有巨大的现实利益的一件事情，它可以让大家成为星际文明，也会带来15万亿美元能源市场的巨大想象空间。从理想主义来看，聚变能带来的想象空间更加充满未来感。如果有廉价的聚变能，我们可以把种植业转化为制造业，我们不用去种田，可以在工厂里生产粮食，耕地可以用来给大家改善居住条件。如果有廉价的聚变能，我们可以把雅鲁藏布江的水抽到青藏高原，大规模地修复环境，还可以彻底解决我们的能源安全，因为如果我们真能做到分布全国的聚变电站，就再也不用担心马六甲海峡的问题。此外，聚变可以让火箭的比冲提升几百倍，火箭可以更加快速地抵达火星甚至抵达太阳系以外，成为真正的星际文明的基础。

无限、清洁、安全而且廉价的聚变能带来的不止更便宜的电力，可以让大家把很多问题的解决思路都彻底颠覆。如此美好的聚变能在科学上已经充分证实了它的可行性。从1990年代起，在JET和TFTR等托卡马克上多次产生相当于数十度电的聚变能，2021年美国NIF(国家点火装置)在激光聚变装置上多次产生相当于一度电的聚光能。聚变能的优势大家非常清楚，聚变能的科学可行性也是完全得到证实的，接下来的重要问题就是我们到底怎么实现聚变能。聚变能的探索人类已经持续了70多年，发展出来很多的技术路线。托卡马克应该说是目前研究最广泛、技术最领先的磁约束聚变能开发路线，被研究院所、企业广泛采用。

托卡马克发展到现在，从1950年代被苏联人发明，到现在已经发展出了三个分支。如果考虑聚变功率，要么把尺寸做大，要么把磁场提高，要么把磁场利用效率提高。有些方案走的是巨型托卡马克路线，把尺寸尽可能增加，这样技术比较稳妥，没有太大的风险，问题就是它的制造周期会比较长，投入的资金量惊人，可能达到千亿级。为了降低投入成本，很多人希望把尺寸降下去，把磁场提高也是一个办法，就把它命名为强场托卡马克，这样我们可以把尺寸控制住，但是聚变功率仍然是可观的。还有一个路线是将磁场利用效率提上去，尺寸可以控制得很小，磁场也不需要太高，球型托卡马克也是很多机构、公司使用的。

托卡马克还有一些其他的问题需要解决，比如托卡马克非常依靠兆安培级别的等离子体电流完成等离子体约束，长时间维持这么一个巨大的电流，成本是非常高的，不管是建造成本还是运行成本和维护成本，对于未来的聚变电力竞争都不是一件好事。为了解决这些问题，清华大学工程物理系就是我们团队和星环聚能公司正在探索一种基于紧凑托卡马克的往复式聚变堆，球型托卡马克的方案，使得整个等离子磁场的利用效率得到大幅度提升。等离子的空间占比也在聚变体里有比较高的利用效率。另外我们利用了高温超导磁体，希望把磁场提高，把磁体做得更加紧凑，把整个聚变堆的运行模式改成内燃机那样的往复式运行模式，相当于不用等离子体长时间持续维持，解决了很多电流驱动的麻烦。另外我们把加热方式也改成磁重联加热方式，加热的结构非常紧凑，效率还非常高。我们做了这样一个技术路线以后，最大的优势是整个聚变堆周围会变得非常干净，不需要那么多辅助加热设备，整个堆的建造成本、运行成本、维护成本都会大幅降低。

基于这样的技术路线，星环聚能公司和清华大学有自己的一套聚变能开发路线图，到目前为止走完了第一步，非常早期的探索阶段。现在基本走完了第二步，初步的工程验证。目前进展在第二步和第三步之间。第三步我们会把整个路线最终工程验证完成，然后开始建造示范堆以及未来的量产聚变电站。接下来我把这条技术路线最新的研发进展跟大家做一下汇报。

整个研发进展是基于初步工程验证装置SUNIST—2的建设和运行开展的。SUNIST—2的设计和建设进程：首先在2019年之前开展了物理设计，2019年国家自然科学基金重大科研仪器研制项目启动，2020年启动了工程设计，2020年底与等离子所签署了第一笔加工合同，开启了整个装置的零部件加工和试装。2022年清华大学与星环聚能开展了成果转化的合作，在星环聚能的基地开始组装这台试验装置，在2023年通过了调试和运行。从场地开工到建成装置只用了279天，速度很快。从一片空地开始建设场地，再建造装置。我们同步把磁体电源开发出来了，同时建设了等离子诊断和壁处理设备，从磁、太赫兹到可见光到汤姆逊散射等等，也都在同期建设完成。2023年上半年开始了第一等离子体的运行，初期经过一天的调试，第二天获得了第一等离子体，这也是非常快的速度了。第一次运行达到100千安的等离子体电流，然后马不停蹄地开始装置的进一步升级改造。第二轮运行期间成功获得了往复式的运行方式，我们是在上下两端产生等离子体，把它向中间推，向中间运动的过程中，等离子环会发生磁场重联，中间这个星部变黑了，等离子体看不见表示它的温度非常高，得到了显著的加热，这个时候辐射在可见光之外，人眼已经感受不到了。

我们继续把装置做了升级改造，把石墨壁加上去，诊断也升级，结构加固。第三轮运行进一步将性能做了提升，等离子电流是原来的两倍，磁场达到0.8特斯拉，重复运行，各项温度也都能够测得到。

第四轮运行现在还在继续，基本上把我们的控制能力达到了非常高的状态。这是我们设计的等离子放电波的形态，中间是实际试验得到的等离子形态，两个相比几乎一模一样，我们把试验结果通过我们的反演做了反推，这三者是相当吻合的，表示我们的控制能力、等离子体性能都达到了相当高的水平。

这就是整个技术路线的进展。