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作者： 吴勘 郭楷模 赵晏强 陈伟 （中国科学院武汉文献情报中心） 2018年12月，由中国科学院文献情报中心系统国际科学技术前沿报告研究组完成、张志强研究员任研究组组长和主编的《国际科学技术前沿报告2018》已由科学出版社正式出版、公开发行。 《国际科学技术前沿报告2018》从主要科技领域中选择科学与工程计算、引力波研究、虚拟现实研究、石墨烯防腐涂料、磁约束核聚变、生物成像技术、人类微生物组、作物病虫害导向性防控、地球深部金属矿资源探测、第三极环境研究等10个科技前沿领域或热点前沿问题，以专业型、计算型、战略型、政策型和方法型“五型融合”的科技战略研究新范式，逐一对其进行国际研究发展态势的全面系统分析，剖析其国际整体进展状况、研究动态与发展趋势、国际竞争发展态势，并提出我国开展这些科技前沿领域或热点问题研究的对策建议，为我国这些领域科技创新发展的科技布局和研究决策等提供重要的咨询依据，为有关科研机构开展这些科技前沿领域或热点问题的研究部署提供国际相关领域科技发展的重要参考背景。 国际核聚变研究现状和发展态势 核聚变能被视为是人类可持续发展最理想的未来能源，受控核聚变研究的最终目标是实现聚变能的商业化应用。 经过半个多世纪的不懈努力，世界各国已在磁约束核聚变理论方法、关键技术和实验装置（如托卡马克和仿星器等）上取得了突破性进展，托卡马克装置实现聚变反应并作为受控磁约束核聚变反应堆的科学可行性已经得到初步验证，成为未来实现受控核聚变能的主要研究途径之一。 目前，包括中国在内的七个世界主要聚变研究国家和地区正投入巨大财力、人力，联合建造世界上规模仅次于国际空间站的大科学工程计划——托卡马克类型的国际热核聚变实验堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER），努力解决与托卡马克聚变反应堆工程可行性和商用可行性密切相关的稳态先进托卡马克运行模式及燃烧等离子体物理这两大科学问题。 2017 年以来，磁约束核聚变研究在理论研究、材料开发及实验和制造工艺上均已经取得多项重要成果： 在聚变理论研究上，美国麻省理工学院等离子体科学与聚变中心（Plasma Science Fusion Center，PSFC）研究人员于8月2日被授予美国物理学会的约翰道森奖，其在等离子体物理研究方面开创性地使用质子射线照相法揭示了高能量密度（High-Energy Detector，HED）等离子体的流动性以及不稳定性。三名研究人员利用激光能量学实验室的激光设备和劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火装置，研究了惯性约束聚变等离子体和HED等离子体的物理学原理。 由于这些等离子体在相当短的时间尺度上发生，所以其评估极具挑战性。为了帮助探测和检查这些等离子体的状况、演变以及其他现象，PSFC团队开发了多重单能量粒子源（Multiple-Monoenergetic-Particle Source，MMPS）。 MMPS是一种背光源，能够进行辐射实验以便更好地了解等离子体的结构和进化。这对于观察发生在大约1ns（1ns=10−9s）左右的等离子体行为特别适用。 与此同时，普林斯顿等离子体物理实验室于8月18日宣布，其研究人员在国家球形托卡马克实验装置（NSTX-U）上发现了一种非常简单快捷的方式来抑制可能停止聚变反应并损坏反应堆壁的不稳定性问题。被抑制的不稳定性被称为全域阿尔芬本征模式（Global Alfense Eigen mode，GAE），是一种常见的湍流扰动模式，可能导致聚变反应失败。 NSTX-U最近安装了第二台中性射束注入器以产生高能粒子来抑制GAE。激发GAE的是同样的中性粒子束，这些粒子通过加热等离子体将其电离成电子和离子或原子核。一旦由这些快速离子触发，GAEs就可以启动并驱动这些快离子，从而冷却等离子体并停止聚变反应。第二个注入器的中性束能够以更高的俯仰角流过等离子体，其方向与约束等离子体的磁场大致平行。注入的外部束流可在毫秒量级时间尺度抑制GAE。 来自中性束的快速离子与装置内部的离子结合以增加离子的密度，并改变其在等离子体中的分布。这一突然的改变降低了离子密度的梯度或斜率，没有这些梯度或斜率就无法形成与传播GAEs。 这一结果同时验证了由物理学家Elena Belova开发的计算机代码“HYM”的预测，并可能对建造ITER有用，以证明控制燃烧等离子体的能力，并产生比它消耗的能量多10倍的能量。研究表明，只有少量具有足够能量的粒子能够抑制GAEs。通过使用该代码，可以对ITER的GAE稳定性进行合理的预测。 在聚变材料开发上，普林斯顿等离子体物理实验室研究人员于7月5日宣布，采用轻质银色金属锂涂层的托卡马克第一壁，能够提高装置壁材料承受核聚变反应时的高能粒子轰击的能力，并且改善等离子体的约束。 其采用的锂超导托卡马克实验装置（Lithium Tokamak Experiment，LTX）是用液态锂完全包围等离子体的首个装置，实验表明锂涂层可以使等离子体芯部到边界的温度分布保持不变。研究结果证实了之前的预测：在边缘温度高、几乎恒定的温度分布情况下，冷却气体经过等离子体的边缘回到托卡马克壁表面，主要是由于锂的特性能够降低边界的再循环。 在聚变工程和物理实验研究方面，中国全超导托卡马克EAST在7月3日实现了稳定的101.2秒稳态长脉冲高约束等离子体运行，创造了新的世界纪录。 这标志着EAST成为了世界上第一个实现稳态高约束模式运行持续时间达到百秒量级的托卡马克核聚变实验装置。这一里程碑式的重要突破，表明我国磁约束聚变研究在稳态运行的物理和工程方面，将继续引领国际前沿，对ITER和未来中国聚变工程实验堆（China Fusion Engineering Testing Reactor，CFETR）建设和运行具有重大的科学意义。 7月26日，由中国科学院等离子体物理研究所承担研制的ITER计划首个超导磁体系统部件——馈线（FEEDER）采购包PF4过渡馈线正式完成，在高温超导电流引线、超导接头、低温绝热、低温高压绝缘等核心技术方面取得了诸多国际领先成果。其研发的万安级高温超导电流引线，集高载流能力、低冷量消耗和长失冷安全时间三方面优势于一体，替代了原ITER铜电流引线设计，大大降低了ITER的运行成本和低温系统的建造投入。 另外，研发的68kA级高温超导电流引线更是创造了在85kA下运行1小时，90kA下运行4分钟的世界纪录；研发的盒式高载流低损耗超导接头，接头电阻达到0.2纳欧的世界领先水平，可以保障ITER装置主机的安全运行。9月12日，美国通用原子公司在圣地亚哥DIII-D国家聚变装置进行的实验中外推得到，对ITER级别的等离子体，当被用于模拟阿尔法粒子和高能粒子束的氘离子激发多个阿尔芬波时，将会损失高达40%的高能粒子。根据研究结果，普林斯顿等离子体物理实验室物理学家在DIII-D托卡马克建立了这些阿尔芬波对高能氘束影响的定量准确模型。他们使用NOVA和ORBIT的模拟代码来预测哪些阿尔芬波将被激发，以及它们对高能粒子的影响。其证实了NOVA模拟预测，在DIII-D实验中，超过10个不稳定的阿尔芬波可以被氘束激发。 此外，与实验结果的测量一致，建模预测高达40%的能量粒子将会损失掉。该模型首次在这种高性能等离子体中证明，可以预测多个阿尔芬波对DIII-D托卡马克的能量粒子的约束作用。DIII-D装置的新升级将有助于探索改善等离子体约束的条件，并提出了新的实验达到理论预测的条件，以减少高能粒子的损失。 本报告分析了全球核聚变研究的科学引文索引（SCI）论文，从文献计量角度揭示出聚变领域的主要国家、研究机构和科研人员特征。 该领域 2007～2016 年每年发文量均在2000 篇以上，参与国家、研究机构众多。美国在聚变等离子体物理领域的发文量、总被引次数和 H 指数均位列全球第 1 位，且大幅领先于排在第 2 位的德国及其他国家，我国发文量位列第 3 位。从发文时序看，我国在 2007～2016 年的论文快速增长，年度发文量在 2015 年接近美国，并在 2016 年超过美国。 从趋势变化来看，我国在核聚变研究的发文量仍将保持快速增长趋势。 中国科学院整体在该领域的发文量位列第 2 位，但论文影响力离顶尖研究机构还有很大差距，下属研究机构中发文量最多的是合肥物质科学研究院和中国科学技术大学。 |
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