正文
聚变研究的几种主要方式
目前，
全球范围内的聚变研究主要集中在磁约束聚变和惯性约束聚变两种主要的技术路径上。
世界上的磁约束聚变装置主要有托卡马克、仿星器、磁镜三种类型；惯性约束聚变的主要方式是激光和
Z
箍缩。其中，磁约束聚变的最有代表性项目有国际热核聚变实验反应堆
(ITER)
，而惯性约束聚变的代表性项目则有美国的国家点火装置
(NIF)
。在实现劳逊条件方面，激光聚变发展最快，美国
NIF
装置实现四次点火
(
能量增益大于
1)
，最大聚变能量
3.15 MJ
，
Q
接近
1.8
。托卡马克
D-T
聚变的参数最高是欧盟
JET
装置，
Q
=0.65
，最大聚变能量
59 MJ
。我国超导托卡马克
EAST
实现了超过一亿度可重复的
400
秒高约束放电。图
3
是过去
50
年世界各国在聚变研究方面所取得的聚变三重积方面的进展。从图
3
中可以看到激光
NIF
参数最高，其次是托卡马克美国的
TFTR
装置。
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图
3
各种聚变途径等离子体性能一览表
1.
托卡马克
托卡马克是
20
世纪
50
年代由苏联科学家发明的，在
20
世纪
90
年代三大托卡马克装置
(
欧洲
JET
、日本
JT-60U
、美国
TFTR)
就已达到或者接近劳逊条
件，也就是核聚变反应功率与外部加热功率相当的条件，获得稳定、重复的高性能等离子体，在托卡马克上获得的归一化等离子体聚变增益因子已超过
ITER
核聚变示范堆的设计要求，验证了托卡马克实现聚变的科学可行性，为实现稳态等离子体燃烧提供了充足的物理和技术基础。
在近百个托卡马克丰富的实验定标率基础上，开始了国际热核聚变实验堆
ITER
计划。
ITER
计划将集成当今国际受控磁约束核聚变研究的主要科学和技术成果，第一次在地球上实现能与未来实用聚变堆规模相比拟的受控热核聚变实验堆，解决通向聚变电站的关键问题，其目标是全面验证聚变能源和平利用的科学可行性和工程可行性。
ITER
具体的科学计划是在为期十年的第一阶段，通过感应驱动获得聚变功率
500 MW
、
Q
大于
10
、脉冲时间
500 s
的燃烧等离子体；第二阶段，通过非感应驱动等离子体电流，产生聚变功率大于
350 MW
、
Q
大于
5
、燃烧时间持续
3000 s
的等离子体，研究燃烧等离子体的稳态运行，这种高性能的
“
先进燃烧等离子体
”
是建造托卡马克型商用聚变堆所必需的。
ITER
计划的另一重要目标是通过建立和维持氘氚燃烧等离子体，检验和实现各种聚变工程技术的集成，并进一步研究和发展能直接用于商用聚变堆的相关技术。
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图
4
国际热核实验堆
ITER
近十年来，
国内外托卡马克发展得都非常快，世界第一个全超导托卡马克东方超环
EAST(
见图
5)
已运行了近
16
年，实现了
1 MA
，一亿度离子温度和
1000
秒高参数运行三大科学目标。
近年来，
HL-3
装置建成，实现了
1 MA H-mode
运行。韩国继我国之后建成了全超导托卡马克
KSTAR
，日本两年前建成世界最大的超导托卡马克
JT-60SA
。世界各大国除了紧密合作建设
ITER
，都有自己的下一部托卡马克示范堆发展的规划，托卡马克聚变能发展进入到提速阶段。
图
5
东方超环
EAST
全超导托卡马克
2.
仿星器
仿星器是一种利用外部线圈产生螺旋磁场约束等离子体的聚变实验装置，它的运行不需要等离子体电流，因此具有内在稳态和没有电流驱动不稳定性的优势。
20
世纪
80
年代准轴对称位形概念的提出，仿星器聚变途径得到了新的发展动力，陆续提出一些基于磁场位形优化的新概念，最近德国
W7-X(
图
6)
的实验验证了先进仿星器概念的可行性和科学性，获得的等离子体约束性能达到与托卡马克相当的水平，使其有可能成为第二种达到劳逊条件的磁约束聚变途径。理论方法和大规模计算能力的突破，一些新的具有精确对称性质的三维磁位形被发现，使得先进超导仿星器成为目前磁约束聚变研究领域最为活跃的前沿热点，也使先进超导仿星器成为极具竞争力的备选技术路线。
