漫话热核聚变技术
胡经国
一、热核聚变技术概述
热核聚变技术（Thermonuclear Fusion Technology），别名为核聚变，是指实现较轻的氢原子核（氘和氚）聚合成较重的原子核（氦）同时释放出巨大能量的核反应过程的核物理技术。热核聚变反应是氢弹爆炸的基础，可在反应瞬间释放出巨大的能量，但是尚无法加以和平利用。如果能使热核聚变反应在一定约束区域内，根据人们的意图有控制地产生与进行，那么就可以实现受（可）控热核聚变反应。这是科学家正在进行试验研究的重大课题。受控热核聚变反应是核聚变反应堆的基础。核聚变反应堆（简称“聚变堆”）一旦研制成功，就能够向人类提供最清洁而又取之不尽的能源。
下图为热核聚变技术概述图（图源：网络）。
热核聚变技术基本信息如下：
中文名：热核聚变技术
外文名：Thermonuclear Fusion Technology
别名：核聚变
提出者：国际热核聚变实验堆计划
适用领域：能源、武器
应用学科：核物理
热核聚变技术，作为“面向未来”的热核聚变技术，也许需要到30年至50年以后才能够实现稳定的能源供应。中国正在积极参与到国际能源科技合作项目“ITER计划”中，同时还超前部署了国内相关的技术研发工作。
二、热核聚变原理
热核聚变，是指由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高温和高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，同时伴随着巨大能量释放的一种核反应形式。
在原子核中蕴藏着巨大的能量。原子核的变化（从一种原子核变化为另外一种原子核）往往伴随着巨大能量的释放。如果是由重的原子核变化为轻的原子核，那么这种核反应形式叫做核裂变，如原子弹爆炸。如果是由轻的原子核变化为重的原子核，那么这种核反应形式叫做核聚变，如太阳发光发热的能量来源。
三、热核聚变应用
1、可控核聚变发生条件
可控核聚变发生需要的条件非常苛刻。太阳就是靠核聚变反应给太阳系带来光和热的，其中心温度达到1500万摄氏度。另外，还需要有巨大的压力采能使核聚变正常反应；而地球上没办法获得如此巨大的压力，只能通过提高温度来弥补，不过这样一来温度需要上亿度才行。核聚变需要如此高的温度，没有一种固体物质能够承受，只能靠强大的磁场来约束。此外，这么高的温度，核聚变反应点火也成为问题。
2、核聚变反应装置
可行性较大的可控核聚变反应装置就是托卡马克装置。
“托卡马克”（TOKAMAK），是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。它的名字TOKAMAK来源于环形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnit）、线圈（kotushka）几个外文单词的开头字母。
托卡马克装置最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人，在20世纪50年代发明的。
托卡马克的中央是一个环形的真空室；外面缠绕着线圈。在通电的时候，托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到实现核聚变的目的。
中国也有两座核聚变实验装置。
3、核聚变的优劣势
核聚变的优势是：
①、核聚变释放的能量比核裂变更大；
②、无高端核废料；
③、可以不对环境构成大的污染，而且其反应过程容易控制，核事故风险极低。
④、燃料供应充足，地球上蕴藏有重氢10万亿吨（在每1升海水中含30毫克氘，而30毫克氘聚变产生的能量相当于300升汽油）。
⑤、无法用作核武器材料，也就没有了政治干涉。
核聚变的劣势是：反应要求极高，技术要求极高。
从理论上看，用核聚变制造武器和提供部分能源，是非常有益的。但是人类还没有办法，对它们进行较好的利用。
对于核裂变，由于原料铀的储量不多，政治干涉很大，放射性与危险性也大，因而核裂变的优势无法被完全利用。截至2006年，核能（核裂变能）发电占世界总电力大约15%。这说明核裂变应用的规模之大；而且更能说明优势比核裂变更大的核聚变能源前景更加光明。
科学家们估计，到2025年以后，核聚变发电厂才有可能投入商业运营。在2050年前后，受控核聚变发电将广泛造福人类。
四、国际热核聚变实验堆（ITER）计划
1、ITER计划概述
2006年11月21日，中国正式加入“国际热核聚变实验堆（ITER）计划，并与ITER计划其他六方一道签订该计划联合实施协定及相关文件，正式启动实施ITER计划。中国科技部官员表示，中国加入ITER计划既是从根本上解决能源问题的战略需要，也有多方面现实意义。
中国加入ITER计划带来的多项现实意义主要包括：
一是ITER计划是中国有史以来参加规模最大的国际科技合作项目，通过参加ITER的建造和运行，全面掌握相关知识和技术，使中国有可能在较短时间赶上磁约束聚变研究世界先进水平，大大加快中国聚变能开发进程。
二是ITER是核科学技术、超导技术、大功率微波技术、等离子体技术、高能粒子束技术、复杂系统控制技术、机器人技术、精密加工技术等高技术的综合集成，可拉动中国相关领域技术的发展。
三是在中国对ITER建造的贡献中，将近80%是以国内制造的实物部件形式实现，这对于提高中国企业技术能力和国际竞争力也是一个难得的机会。
四是中国全面参加ITER建设和实验，可全面掌握ITER的知识和技术，从而培养一批聚变工程和科研人才。
五是中国参加实施ITER计划，配合国内必要的基础研究、聚变反应堆材料研究、聚变堆某些必要技术研究，有可能在较短时间、用较少投资使中国核聚变能研究在整体上进入世界前沿，为中国自主开展核聚变示范电站研发奠定基础。
ITER计划是世界上仅次于国际空间站的又一个国际大科学工程计划。该计划将集成当今国际上受控磁约束核聚变的主要科学和技术成果，首次建造可实现大规模聚变反应的“聚变实验堆”，是人类受控核聚变研究走向实用的关键一步，因此备受各国政府与科技界的高度重视和支持。
2、ITER计划项目建设
虽然ITER计划和愿望是美好的，但是自1985年美、苏和欧洲开始筹划设计以来，经历了35年的时间。在此期间，经历了太多的磨难，这项预期耗资100亿的项目，所需要的开支越来越庞大，使得世界各国有些不堪重负。总共有7方参与这个计划，包括欧盟、中国、美国、日本、韩国、俄罗斯和印度等33个国家。此前，加拿大曾经参与其中，但是随后退出；其退出的原因也是因为它的耗资太过巨大，超出了加拿大的承受能力。
与此同时，在实验过程中，这项计划也遭遇到了非常严重的困难，很多技术上的难题难以解决。一位热核科学家表示，在2020年之前这项实验可能无法启动；如果要想发电，那么至少要等到2040年。这样的时间表，使得参与该计划的各国产生了犹豫。法国南部城市卡达拉舍的ITER项目建设基地、绿色和平组织的首席英国科学家道格拉斯说道：“我们对这项计划能否继续实施真的非常怀疑，但是这项计划绝非是用金钱所能衡量的。我们要想摆脱能源危机，摆脱对碳的需求，就必须将这项计划进行下去。”
国际热核计划的技术部副部长大卫—坎贝尔说道：“这的确是一个巨大的挑战，我们都希望有支付终结的那一天，但是来看，它的继续进行的确需要更多的支持。而在未来，对我们的利好消息就是它将接管发电。”
ITER项目建设在法国南部城市卡达拉舍（Cadarache），其反应堆高187英尺，而其重量则为2.3万吨，是埃菲尔铁塔的3倍。
3、ITER计划项目进展
“国际热核聚变实验堆”（ITER）组织理事会已经正式通过了《基准文件》。ITER组织理事会主席叶夫根尼·威利科夫表示，这标志着ITER计划进入了决定性阶段。
2010年7月28日，ITER组织发布公报称，来自欧盟、中国、美国、日本、韩国、俄罗斯和印度七方的理事以及一名国际原子能机构的观察员，参加了27日至28日在该组织所在地法国南部的卡达拉舍举行的特别会议，最终通过了《基准文件》。该文件包括以下两项重要内容：一是项目预算，二是项目时间表。
设计方面
在设计方面，ITER是为验证“全尺寸可控核聚变技术的可行性”而设计的。其原理类似于太阳发光发热，即：在上亿摄氏度的高温条件下，利用氢的同位素氘、氚的聚变反应释放出巨大能量，从而为人类提供可持续发展的洁净能源。“ITER实验堆”高度为24米，直径30米，计划产生等离子体的体积为840立方米，维持时间为400秒，聚变能500兆瓦。输出与输入能量比最低为10∶1，最高可达到30∶1。
时间表方面
在时间表方面，ITER组织决定放弃其原定于2018年获得第一个等离子体的目标，将时间推迟为2019年11月。预计2026年之后才会开始关键的氘、氚核聚变反应。
预算方面
在预算方面，欧盟将为该项目追加最多不超过85亿美元的额外资助。该项目的总预算将达190亿美元。
该会议也提名日本物理学家本岛修为ITER组织新的总干事，以接替从2005年11月起担任ITER组织总干事的池田要。
关键技术测试
此外，ITER也将测试很多与核聚变有关的关键技术，包括：加热、控制和远程管理。这些都是全尺寸核聚变反应需要的技术。如果ITER获得成功，那么下一步将建立“商用反应堆”，可能又再需要花费10年多的时间。
ITER计划正式实施
2006年5月24日，参与ITER计划的七方草签了与该计划有关的一系列“合作协议”；同年11月签署了“ITER条约”。2007年10月24日，该条约正式生效，标志着ITER组织正式成立，ITER计划进入正式实施阶段。
五、中国的EAST
1、EAST简介
“EAST”是由实验“Experimental”、先进“Advanced”、超导“Superconducting”、托卡马克“Tokamak”这四个外文单词的词首字母拼写而成的，它的中文意思是“先进超导托卡马克实验”，它同时具有“东方”的含意。EAST装置是中国自行设计研制的国际首个全超导托卡马克装置。
2、最新进展
2017年7月4日，中国科学院等离子体物理研究所宣布，国家大科学装置——世界上第一个全超导托卡马克（EAST）（号称“东方超环”）再传捷报，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。
这一里程碑性的重要突破表明，中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，对国际热核聚变实验堆（ITER）和未来中国聚变工程实验堆（CFETR）建设和运行，都具有重大的科学意义，同时为人类开发利用核聚变清洁能源奠定了重要的技术基础。
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