"等離子體"（Plasma）是物質(zhì)（氣、液、固之外）存在的"第四態(tài)"，"核聚變"使宇宙的太陽和所有恒星發(fā)光發(fā)熱。就為地球上的人類提供"永恒"的能源而言，受控的"聚變能源"是最終夢想。從"發(fā)現(xiàn)"等離子體和核聚變反應(yīng)算起幾十年來，人類一直在為實現(xiàn)受控的核聚變并轉(zhuǎn)化為日常生活須臾不可離的能源（例如電和熱）而奮斗。但目前的情況，按照美國核商務(wù)通訊記者特格拉 費邊（Thecla Fabian）的說法是："全世界聚變研究與發(fā)展有顯著的進步，但期待的高效、經(jīng)濟發(fā)電仍然沒有清晰的路徑。最近美國聚變會議強調(diào)取得成就，也有許多挑戰(zhàn)。"[1]

磁聚變中，托克馬克仍然是發(fā)展的"主打"領(lǐng)域。以國際財團為主、現(xiàn)正在法國建造的國際熱核實驗堆（ITER）裝置占據(jù)舞臺的中心。ITER總干事伯納德 比戈（Bernard Bigot）解釋了怎樣整頓這個多國項目，以應(yīng)對承諾的成本逐步上升、進度日漸下滑問題，以及早期管理方面的缺陷。去年12月17日在美國華盛頓召開的聚變能源聯(lián)盟年會（暨學(xué)術(shù)報告會）上，他的報告指出，ITER委員會將在其2016年中期會議上制訂新的項目基線。與此同時，ITER建造和部件制造在全速前進。[2]

美國通用原子公司（General Atomics）副總裁托尼 泰勒（Tony Taylor）說，ITER是聚變能源發(fā)展的基本元素、等離子體燃燒科學(xué)和聚變技術(shù)。他說，托克馬克的約束系統(tǒng)有最先進的科學(xué)基礎(chǔ)，而且自1969年首次引入后有許多進步。ITER將顯著地推進聚變科學(xué)和技術(shù)，而且最重要的是，托克馬克是唯一"準備好"的磁聚變概念。

普林斯頓等離子體物理實驗室（PPPL）正在進行聚變核科學(xué)設(shè)施（FNSF）各系統(tǒng)的研究，以填補ITER和"Demo"即"示范聚變電廠"間的差距。FNSF要能連續(xù)運行1-15天。為給Demo奠定基礎(chǔ)，它將用于：聚變中子輻照（積分通量和dpa數(shù)值[3]）；材料開發(fā)（構(gòu)筑物、功能性、冷卻劑、增殖、屏蔽等）；運行溫度和其他環(huán)境變量；氚的行為、控制、庫存與核算；需要性能狀態(tài)下等離子體長期持續(xù)時間；等離子體啟動技術(shù)；示范電廠運作；各個子系統(tǒng)；可利用率、維修、可檢測性和可靠性進展。

轉(zhuǎn)入Demo大規(guī)模操作和日常發(fā)電前，材料開發(fā)和測試方面，目標是建立快中子環(huán)境和整體環(huán)境中部件的數(shù)據(jù)庫。Demo將達到電廠水平的中子損傷，而且需要新的、能在聚變環(huán)境下"存活"的材料。

FNSF比Demo小，以較低成本，促進規(guī)劃"磨合"。這個團隊計劃的傳統(tǒng)長寬比為4[4]；保守的托克馬克物理基礎(chǔ)擴展到更高的性能；100％無電感等離子體流；高級Nb3Sn制成的低溫超導(dǎo)線圈；以及增殖層內(nèi)的氦氣冷卻、屏蔽、偏濾器和真空容器。PPPL的查爾斯 凱塞爾（Charles Kessel）說，"凈"電力生產(chǎn)不是目標，但這個機器能用于演示電力生產(chǎn)。

將從最初的調(diào)試轉(zhuǎn)向氘運行，最終轉(zhuǎn)向2－3年的氘-氚運行。這將填補凱塞爾所說的ITER和Demo之間的"巨大"差距。PPPL團隊正嘗試著確認FNSF必須示范什么，確認為準備FNSF運行需要的研發(fā)規(guī)劃，并建立FNSF和Demo以及未來聚變發(fā)電廠間的聯(lián)系。

有"可行"的托克馬克發(fā)電廠嗎？

與會的其他發(fā)言人對ITER或托克馬克概念導(dǎo)致實際聚變能源的潛質(zhì)不大樂觀。上個世紀70年代管理美國聚變能源規(guī)劃、現(xiàn)在華盛頓特區(qū)管理信息服務(wù)公司（MISI）高級能源顧問羅伯特 赫什（Robert L. Hirsh）說，到了"面對現(xiàn)實"的時候了，ITER型托克馬克永遠不會商業(yè)上有生命力。然而能提供寶貴的知識和經(jīng)驗。

赫什說，托克馬克聚變發(fā)電經(jīng)濟的一個大問題，是超導(dǎo)環(huán)形磁場線圈加熱和冷卻需要的時間。中國實驗性先進超導(dǎo)托克馬克裝置(EAST )2006年12月熄滅后，花費了大約18天才從室溫冷卻到4.5K。據(jù)估算，ITER冷卻大致要30天。赫什說，在商業(yè)電力系統(tǒng)中，30天加熱/冷卻退出運行"對電廠經(jīng)濟是個很大的、負面沖擊"。

可能的監(jiān)管問題

關(guān)于核廢物，聚變裝置不可能發(fā)生失控反應(yīng)。托克馬克裝置包含活化金屬放射性廢物，比用裂變?nèi)剂蠅勖^短，危險較少。然而赫什說，放射性廢物處理、儲存和處置仍然會是個重要的監(jiān)管問題

假設(shè)ITER級托克馬克裝置的增殖層，由于輻射損傷，每三年必須更換，一個連續(xù)運行的ITER托克馬克裝置生產(chǎn)的放射性廢物會達675噸/年。這比裂變堆還多，后者產(chǎn)生的乏燃料大約150噸/年。赫什說，雖然裂變堆的放射性和毒性比ITER聚變的水平高得多、壽命長得多，核監(jiān)管部門要求聚變堆的廢物用類似的方式加以處理，至少要執(zhí)行非常嚴格的標準。

除廢物之外，赫什還確認了三個重要的監(jiān)管問題：超導(dǎo)滅磁、等離子體突發(fā)事件和氚控制。

" 監(jiān)管部門特別關(guān)注超導(dǎo)滅磁，它是低概率事件，但隨之而來的是爆炸性能量釋放。例如，就ITER而言，超導(dǎo)滅磁能釋放40GJ以上的能量，或相當于10噸黃色炸藥（TNT）。赫什指出，它的爆炸力與二戰(zhàn)時代的重磅炸彈相當。ITER級托克馬克裝置的超導(dǎo)滅磁的爆炸性威脅要適當?shù)乇?遏制"。他說，考慮到托克馬克裝置的尺寸，防爆的安全殼構(gòu)筑物會極其昂貴。

" 等離子體瓦解是另一個監(jiān)管部門關(guān)注的領(lǐng)域。托克馬克裝置在限定參數(shù)內(nèi)運行。超過限定的參數(shù)，可能突然失去能量約束，稱之為"瓦解"。這種突發(fā)事件使構(gòu)筑物和"壁"遭受巨大的熱和機械應(yīng)力。赫什引用哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)家塞拉 按格利尼（Sarah Angelini）的話說："在諸如ITER這種大規(guī)模的實驗裝置內(nèi)，瓦解能使真空容器和等離子體飾面的部件遭受災(zāi)難性破壞。"他還說，監(jiān)管部門將把焦點放在"瓦解"上，確認所有可能的"觸發(fā)條件"和潛在的"級聯(lián)"，并且要求"故障安全"保護。

" 氚通過固體材料擴散，特別是在高溫下。真空和給托克馬克裝置的能量注入口將使氚泄漏進入反應(yīng)堆大廳，隨之將使設(shè)備發(fā)生故障并損害真空容器。美國核管會（NRC）對輻射工作人員和普通公眾的氚劑量限值比已知的、引發(fā)人類健康效應(yīng)的輻射受照水平小得多。監(jiān)管部門將要求昂貴的"故障安全"保護。

赫什說，社會公眾一直"被"告知聚變發(fā)電是經(jīng)濟、安全和環(huán)境上有吸引力的，也要發(fā)出"很可能事與愿違"的警告。電力公司也會清醒地看到NRC的任何限制條件和關(guān)注點，他們的興趣很可能快速消失。

作為發(fā)電機組而不是研究裝置考慮，托克馬克裝置還面臨重大的可操作性的難題。

作為商業(yè)運營期間的重大課題，赫什指的是偏濾器耐用性。最近的研究表明，沒有固體材料、包括鎢，能在預(yù)期的ITER條件下"堅持"一個合理的穩(wěn)態(tài)運行周期。赫什說，2015年美國能源部組織的聚變研討會[5]斷言，托克馬克裝置偏濾器物理的知識基礎(chǔ)還不能詳細說明偏濾器的解決方案，"其實，甚至在原理上，我們并不知道有個解決方案"。赫什說，沒有偏濾器，ITER級托克馬克裝置不能運行很長時間。

仿星器示范聚變電廠

歐洲和日本的發(fā)言人說，他們曾經(jīng)考慮ITER之后示范聚變電廠（demo）的"替代"概念。首先考慮的是仿星器、球形托克馬克（兼具托克馬克裝置和仿星器二者的特征）和慣性約束選項。

去年12月10日，F(xiàn)PA（美國聚變能源聯(lián)盟年會）會議前一周，德國文德爾施泰恩（W）7-X，這個世界最大的仿星器的"首個等離子體"給仿星器作為未來demo裝置基礎(chǔ)的幾個展示報告提供了適宜的背景[6]。W7-X是輸運和磁流體動力學(xué)（MHD）穩(wěn)定性數(shù)字優(yōu)化的超導(dǎo)仿星器。PPPL的邁克 乍恩斯托夫（Mike Zarnstorff）說，預(yù)期的等離子體最大加熱脈沖為30分鐘。

乍恩斯托夫說，為使聚變商業(yè)上可行，可能需要有仿星器的許多特性。這些包括：沒有"突發(fā)事件"；沒有電流驅(qū)動和較高聚變增益的低循環(huán)功率；穩(wěn)態(tài)磁場和等離子體；以及持續(xù)的高壓（β為5％或以上[6]）。但是，仿星器配置必須加以優(yōu)化，才能獲得這些特征，而這是歐盟和日本"咄咄逼人"的仿星器研究規(guī)劃的重點。

這些國家籌劃了個demo路徑，包括仿星器選項，而且兩國都有大型超導(dǎo)仿星器實驗裝置：歐洲的W7-X和日本1998年投入運行的LHD（大型螺旋裝置）。

日本的demo戰(zhàn)略是平行地開發(fā)托克馬克和仿星器/螺旋器。日本將在2027年評估二者的進展，進而選定demo的方法以及2030年前后的建造安排。

日本計劃2017年2月開始LHD氘實驗，目前正在做機器升級，以包括中子束注入、電子回旋加速器升溫、離子回旋加速器頻率范圍升溫和高級診斷。氘實驗的目標是使配置性能最大化，研究等離子體約束的同位素效應(yīng)，論證高能離子約束并證實建模外推。附帶的研究將覆蓋高β磁流體動力學(xué)（MHD）穩(wěn)定性和低碰撞特性參數(shù)、偏濾器最優(yōu)化，以及等離子體-容器壁相互作用。

和日本相似，歐盟希望2030年就demo作出決定。歐盟打算在今后14年內(nèi)開發(fā)W7-X類似聚變電廠的基礎(chǔ)；開發(fā)并論證仿星器demo的發(fā)電前景；確認模型和設(shè)計方法；開發(fā)和論證穩(wěn)態(tài)偏濾器；發(fā)電10MW，持續(xù)30分鐘。

在仿星器研究中，美國的角色更適應(yīng)基礎(chǔ)研究，改善數(shù)值建模并生效三維物理認識，改進三維最優(yōu)化，設(shè)計仿星器先導(dǎo)電廠，以及PPPL聚變核科學(xué)設(shè)施范圍界定研究。

PPPL的斯圖爾特 普拉格（Stewart Prager）說，在美國，PPPL對球形托克馬克和仿星器研究感興趣， 二者都能導(dǎo)致demo規(guī)模的電廠。這個實驗室也在從事液態(tài)金屬研究，作為"第一壁"難題的新穎解決方案。他指出了世界仿星器規(guī)劃的巨大差距：只有兩個大型仿星器，只有一個優(yōu)化了。這給PPPL采取研究立場留下個"開口"，包括仿星器研究活動中心。他說，仿星器大概是"物理上最佳的聚變概念"。

PPPL最近還完成了它的國家球形托克馬克實驗裝置（NSTX-U）的重大升級，這將有助于建立持續(xù)的、高性能的等離子體，作為聚變裝置下一步的一個候選，推進了ITER及其以后的環(huán)形約束物理和球形托克馬克裝置。

關(guān)鍵問題是，編制demo計劃前仿星器是否需要氘-氚（D-T）運行？

很明顯，DT運行能降低風險，但過程增加了一步。2015年3月日本會議的參加者辯論過，確認用于ITER的綜合模型和非DT大型實驗裝置是否能降低這種風險。一般的結(jié)論是，需要DT運行，但最終決定將取決于研究的進展。歐盟的demo計劃要求仿星器DT運行前，針對設(shè)計概念做出決定。

聚變材料

橡樹嶺國家實驗室的史蒂夫 扎克勒（Steve Zinkle）說，聚變發(fā)電的所有環(huán)境吸引力和經(jīng)濟競爭力直接取決于電廠使用的材料。環(huán)境吸引力需要各種材料能保護公眾和環(huán)境，免除放射性釋放和事故。廢物應(yīng)危害小，放射性壽命短；用的材料要低"活化"，而且"捕俘"的氚要少。經(jīng)濟競爭力取決于材料的性能好、使用期長；檢修和停役時間短，而且熱效率高。

聚變材料開發(fā)的重大挑戰(zhàn)包括：

" 等離子體面飾部件：鎢能沒有脆化地起作用"存活"多長時間？

" 氚密封：能研發(fā)防止氚泄漏、允許在線提取、進行燃料后處理的材料嗎？

" 非結(jié)構(gòu)材料，包括等離子體診斷（例如光纖、電絕緣子）、等離子體加熱引線絕緣子和下一代磁系統(tǒng)，以及陶瓷增殖器。正如在demo中預(yù)期的那樣，現(xiàn)在用的許多材料沒有DT環(huán)境運行的經(jīng)驗。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)置在第一年能正常工作，但商業(yè)系統(tǒng)需要新的、使用期更長的選項。

在結(jié)構(gòu)材料方面，聚變學(xué)界可以利用裂變電廠做過的研究，以及美國國家核安全局（NNSA）在慣性約束聚變和武器規(guī)劃方面正在做的研究和開發(fā)。

然而，在其他領(lǐng)域，沒有這種強大的協(xié)同效應(yīng)，特別是在氚密封和非結(jié)構(gòu)材料方面。

氚密封是個特殊問題。與未受照的材料相比，強中子轟擊產(chǎn)生微觀空穴，"扣留"相當大量的氚。凱塞爾曾坦率地說，PPPL的托克馬克聚變試驗堆有"巨大"數(shù)量的空穴，預(yù)計誘捕的氚高100倍以上。在demo、甚至ITER那么大的機械內(nèi)扣留氚的量級，有可能成為公眾的安全危害。

研究人員也在對低活化鋼材進行研究。凱塞爾說，現(xiàn)在有可能用計算機設(shè)計高性能的鋼材。熱力學(xué)計算建模已確認商用9-12％鉻鋼新的、潛在的形變熱處理工藝，但某些工藝如熱軋，對某些產(chǎn)品形態(tài)可能難以落實，而且不能用于焊接件。

歐盟研究人員已開始設(shè)計下一代減少活化的鐵素體-馬氏體鋼材的規(guī)劃。這包括開發(fā)計算模型，對高溫應(yīng)用選擇優(yōu)化的9％Cr鋼。機械性能和微觀結(jié)構(gòu)調(diào)查還在進行中，輻照試驗計劃在2016-2017年進行。

聚變研究人員正在考慮更廣泛可能的材料，包括先進的陶瓷和其他應(yīng)用開發(fā)的材料。凱塞爾指出通用（GE）與斯奈克瑪公司（Snecma）的合資企業(yè)開發(fā)的、現(xiàn)在有資格用于渦輪噴氣發(fā)動機的SiC/SiC復(fù)合材料。首次部署將是2016年的空客320neo和2017年的波音737MAX。開發(fā)商估算，更高的溫度和更低的重量產(chǎn)生的燃料節(jié)省約為15％。

美國將建設(shè)兩個新的SiC纖維和CMC（陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料）加工廠，生產(chǎn)新復(fù)合材料。凱塞爾說，航空工業(yè)成功使用復(fù)合材料將會激勵開發(fā)改良的SiC纖維和低價復(fù)合材料作其他的應(yīng)用，也許包括聚變?，F(xiàn)在，復(fù)合材料的成本比某些應(yīng)用的金屬高100-1000倍。

凱塞爾稱他個人對結(jié)構(gòu)材料"看漲"，指的是現(xiàn)成的、核環(huán)境應(yīng)用的高性能結(jié)構(gòu)材料。對這種材料在裂變中子環(huán)境的穩(wěn)定性方面有高度信心，但對聚變，超過5MW-年/平米的實用性還不確定。

日本"示范聚變電廠"要求概略

日本聚變科學(xué)家的一個高級團隊在去年9月發(fā)布的報告中明確，demo的目標是驗證聚變能源在經(jīng)濟和社會方面可與其他發(fā)電機組競爭。宗旨是以功率級別超過幾十萬千瓦、穩(wěn)定而又可靠地發(fā)電；適合商用化，而且能增殖足夠的氚，使燃料循環(huán)自給自足。

日本教育、文化、體育、科技部科學(xué)顧問藤原浩 山田（Hiroshi Yamada）主導(dǎo)確立demo需要的技術(shù)基礎(chǔ)。該團隊的報告（英文版）2015年9月26日在網(wǎng)上發(fā)布，題目《建立日本聚變demo堆技術(shù)基礎(chǔ)研發(fā)戰(zhàn)略》[6]。

山田說，該部要求在開發(fā)托克馬克裝置的同時，"以戰(zhàn)略上相聯(lián)系的方式"開發(fā)供選擇的概念，如螺旋形和激光系統(tǒng)。

非"主流"聚變技術(shù)的"挑戰(zhàn)"

上述觀點多半針對"官方"主辦或資助的大型托克馬克裝置或仿星器/螺旋裝置。在聚變科學(xué)界，還有許多非官方資助的小型/非主流聚變科研項目在"窺視"聚變能源的"圣杯"。它們多半由終生獻身于聚變科學(xué)研究的資深專家、教授主導(dǎo)，有獨到的認識和見解，在"獨特"的方面狠下工夫。幾十年來，特別是ITER進展和技術(shù)上出現(xiàn)困難時，突出了這些"非主流"聚變概念的"獨到"優(yōu)勢。

最近，英國新創(chuàng)建的托克馬克能源公司宣稱，要"脫離主流聚變工程學(xué)，把新技術(shù)引入既定領(lǐng)域，以提升性能、前景和商用潛質(zhì)"，正在開發(fā)以球形托克馬克和高溫超導(dǎo)為基礎(chǔ)的聚變堆概念，"10年之內(nèi)首次發(fā)電，15年之內(nèi)建成10萬千瓦的電廠，并網(wǎng)發(fā)電"。[8]此外，許多聚變界科學(xué)家認為，"質(zhì)子-硼-11燃料循環(huán)"概念提供了"另外的、潛在地有吸引力的聚變發(fā)電的方法"，也許能產(chǎn)生市場可接受的聚變發(fā)電概念。[9]

總之，聚變學(xué)界非常有信心。盡管還有一段長路，但前景樂觀。因為"困難是需要一些時間；不可能是需要一段時間"。

參考資料與注釋：

1.Thecla Fabian, Fusion energy goal still elusive, despite progress, NEI, 17 February 2016

2.詳見：Bernard Bigot，The ITER Project: Moving Ahead at Full Speed

3. dpa，displacements-per-atom，受輻照材料單個原子因與快中子撞擊產(chǎn)生位移的次數(shù)，是材料輻照損傷的量度。

4.聚變堆設(shè)計的重要參數(shù)，指托克馬克裝置縱向大半徑與橫向小半徑之比。

5.指2015年6月9‐12日，美國21st ITPA meeting on SOL/divertor physics, PPPL, Princeton。

6. β，等離子體"貝塔"，確定等離子體性能的關(guān)鍵參數(shù)，等離子體壓力與磁場壓力之比。

7.指H Yamada，R Kasada，A Ozaki，R Sakamoto，Y Sakamoto，...Development of Strategic Establishment of Technology Bases for a Fusion Demo Reactor in Japan, Journal of Fusion Energy, February 2016, Volume 35, Issue 1, pp 4-26

8. Melanie Windridge and David Kingham，Big dreams for tiny tokamak，NEI，10 February 2016

9. Robert L. Hirsch，F(xiàn)usion Power Illusions, Delusions, and Hope，POWER February 2016，p.56