漫话核聚变反应堆理论（1）
胡经国
一、核聚变反应堆理论概述
与核裂变能相比，核聚变能具有燃料丰富、燃料价格低廉、环境污染小、运行安全可靠、反应释放的能量大等突出优点。
受（可）控核聚变反应主要为D-T（氘—氚）核聚变反应；要求聚变粒子具有上亿摄氏度的温度、较高的密度和足够长的约束时间。
在核聚变反应堆中主要的核反应为：
D+T→α+n+17.59MeV
其中
D、T分别为氘核和氚核；在核聚变过程中放出大约17.59MeV的能量；反应生成的Q粒子（氦核）的能量约为3.5MeV 。
聚变反应堆（Fusion Reactor），是指能够持续地维持核聚变反应，并且能够利用核聚变能和中子的装置，简称聚变堆。现时，聚变堆已经进入“工程研究设计阶段”。第一个聚变堆将是“实验性聚变堆”，可望在2010-2020年建成。
下图为聚变反应堆理论（Fusion Reactor Theory）概述图（图源：网络）。
聚变反应堆理论基本信息如下：
中文名：聚变反应堆理论
外文名：Fusion Reactor Theory
简称：聚变堆理论
反应类型：核聚变；D-T（氘—氚）反应
研制难点：高温等离子体控制、材料等
可利用产物：核聚变能和中子
二、聚变堆基本组成
1、聚变堆基本组成概述
聚变堆是由聚变实验装置的基本组成，加上堆的包层/屏蔽部件构成的。
包层和偏滤器（环形真空室内）
其中，包裹着“环形堆芯等离子体”的是关键的“核岛部件”——包层和偏滤器；它们处在“环形真空室”内。
为了便于维修和更换，包层和偏滤器是由多个“模件”组成的。“包层模件”通过真空室上端的垂直通道进出；而“偏滤器模件”则经下端的偏滤器抽气通道更换。它们的“冷却剂管道”主要也要从这些通道进入。
环向场线圈（TFC）（真空室外面）
套在真空室外面的是多个产生“环向磁场”约束等离子体的“环向场线圈”（TFC）。
极向场线圈 (PFC) （TFC外面）
TFC外面围着若干个同轴心的线圈环；由它们产生约束等离子体的“极向磁场”，称为“极向场线圈” (PFC) 。
TFC的屏蔽层
“磁场线圈”采用超导体，需要足够的屏蔽以避免受到来自堆芯过量的辐射损伤。为此，设置了TFC的屏蔽层。
等离子体工程系统
在聚变堆的周围，布置有等离子体工程系统以维持持续的聚变反应。这些系统包括：真空、等离子体加热、电流驱动、聚变燃料添加、燃料余灰排出以及等离子体测量和控制等。现今的“聚变等离子体实验装置”已经具备这些系统，只是由于聚变堆的等离子体参数更高，需要更强大的等离子体工程系统。
2、聚变堆包层
包层及其作用
聚变堆包层，是聚变堆的关键部件；其有效厚度一般约为0.5米。
聚变中子携带的能量在这里沉积，由冷却剂带到堆外。通过中子与氚增殖剂的核反应产生氚以补给聚变燃料。在包层中，还可以进行聚变中子的各种应用，包括：放置转换原料U-238或Th-232，可以生产易裂变燃料；放置长寿命放射性核废物，可以嬗变处置这些核废物等。
包层的材料组成
包层的材料组成主要是：结构材料、氚增殖剂和冷却剂。
结构材料有：不锈钢、铁素体钢、钒基合金和陶瓷纤维复合材料等。
氚增殖剂有：液态金属锂、锂铅共熔体和各种含锂的固态氚增殖剂，如Li2O，LiAlO2等。
冷却剂可用：水、氦气、液态金属锂和锂铅共熔体等。
包层设计
这些材料的组合加上结构形式不同，形成了各式各样的“包层设计”。
包层模件的前端，是面向等离子体的第一壁；通过第一壁的聚变中子能流密度（MW/m2），称为“中子壁负荷”。它与包层的结构材料和工程技术要求密切相关，是聚变堆的一个重要参数。
3、聚变堆高热负荷部件
高热负荷部件，是指直接面对等离子体的部件。其主要有：包层的第一壁和收集等离子体燃料余灰的偏滤器。
运行中的高温等离子体，包含巨大的热能和大量带电粒子。等离子体处于动态平衡中。一方面，需要注入新的燃料粒子，以及对在等离子体中沉积的一部分聚变反应能量加以补充。另一方面，逸出的能量散布到面对等离子体部件的表面上；而逸出的粒子则主要沿着等离子体外边界的磁力线收集到偏滤器靶板上，经由真空室下部的通道抽出。由于等离子体中的能量和粒子数量很大，约束时间短，因而“打到”部件表面上的“能流和粒子流密度”十分可观。一般，第一壁上的能流密度约为MW/m2量级，偏滤器靶板上的能流密度峰值可达20MW/m2以上，因此称为“高热负荷部件”。由于粒子流轰击这些部件表面产生严重的溅射损伤，加上高能中子的轰击，因而排热和材料，对“第一壁”是高难度的工程技术问题，而对“偏滤器”则是挑战性的工程技术问题。
（未完待续）
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