本文來(lái)自微信公眾號(hào)：中國(guó)工程院院刊 （ID：CAE-Engineering），作者：高翔、萬(wàn)元熙（核聚變專家，中國(guó)工程院院士）、丁寧、彭先覺(jué)（原子核物理學(xué)專家，中國(guó)工程院院士），原文標(biāo)題：《可控核聚變科學(xué)技術(shù)前沿問(wèn)題和進(jìn)展丨中國(guó)工程科學(xué)》，頭圖來(lái)自：視覺(jué)中國(guó)

【資料圖】

可控核聚變能源是未來(lái)理想的清潔能源。磁約束聚變通過(guò)低密度長(zhǎng)時(shí)間燃燒的方式實(shí)現(xiàn)氘、氚等離子體的自持燃燒，并將這種燃燒維持下去。世界上的磁約束聚變裝置主要有托卡馬克、仿星器、磁鏡三種類型，其中托卡馬克最容易接近聚變條件而且發(fā)展最快。目前，磁約束聚變還處于探索階段，還有很多物理和工程技術(shù)方面的問(wèn)題需要解決。

中國(guó)工程院萬(wàn)元熙院士、彭先覺(jué)院士等研究人員在中國(guó)工程院院刊《中國(guó)工程科學(xué)》2018年第3期發(fā)表《可控核聚變科學(xué)技術(shù)前沿問(wèn)題和進(jìn)展》一文。文章介紹了ITER計(jì)劃的科學(xué)目標(biāo)和工程技術(shù)目標(biāo)中的前沿問(wèn)題，提出了我國(guó)磁約束聚變近期、中期和遠(yuǎn)期技術(shù)目標(biāo)，制定了中國(guó)磁約束聚變發(fā)展路線圖。

在慣性約束聚變領(lǐng)域，Z箍縮作為能源更具潛力，我國(guó)在Z箍縮輻射源物理和驅(qū)動(dòng)慣性約束聚變技術(shù)路線，尤其是在驅(qū)動(dòng)器與Z箍縮負(fù)載能量耦合物理方面開展了大量基礎(chǔ)研究。文章建議，我國(guó)繼續(xù)執(zhí)行際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆國(guó)際合作計(jì)劃，全面掌握聚變實(shí)驗(yàn)堆技術(shù)；積極推進(jìn)中國(guó)聚變工程試驗(yàn)堆（CFETR）主機(jī)關(guān)鍵部件研發(fā)、適時(shí)啟動(dòng)項(xiàng)目的全面建設(shè)；支持新一代大電流脈沖功率實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)，盡快實(shí)現(xiàn)Z箍縮聚變點(diǎn)火，探索Z箍縮驅(qū)動(dòng)慣性約束聚變裂變混合堆。

一、前言

可控核聚變能源是未來(lái)理想的清潔能源。在磁約束聚變領(lǐng)域，托卡馬克研究目前處于領(lǐng)先地位。我國(guó)正式參加了國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）項(xiàng)目的建設(shè)和研究，同時(shí)正在自主設(shè)計(jì)、研發(fā)中國(guó)聚變工程試驗(yàn)堆（CFETR）。在慣性約束領(lǐng)域，Z箍縮作為能源更具潛力，有可能發(fā)展成具有競(jìng)爭(zhēng)力的聚變–裂變混合能源。本文重點(diǎn)介紹了磁約束聚變的前沿問(wèn)題和我國(guó)在Z箍縮方面的研究進(jìn)展。

二、磁約束聚變前沿問(wèn)題

（一）磁約束聚變的研究意義和現(xiàn)狀

磁約束聚變是利用特殊形態(tài)的磁場(chǎng)把氘、氚等輕原子核和自由電子組成的處于熱核反應(yīng)狀態(tài)的超高溫等離子體約束在有限的體積內(nèi)，使等離子體受控制地發(fā)生大量的原子核聚變反應(yīng)，釋放出能量。磁約束聚變通過(guò)低密度長(zhǎng)時(shí)間燃燒的方式實(shí)現(xiàn)氘、氚等離子體的自持燃燒，并將這種燃燒維持下去。世界上的磁約束聚變裝置主要有托卡馬克、仿星器、磁鏡三種類型，其中托卡馬克最容易接近聚變條件而且發(fā)展最快。目前，磁約束聚變已經(jīng)取得重大進(jìn)展，我國(guó)正式參加了ITER項(xiàng)目的建設(shè)和研究；同時(shí)作為ITER裝置與聚變示范堆（DEMO）之間的橋梁，我國(guó)正在自主設(shè)計(jì)、研發(fā)CFETR項(xiàng)目。這些措施將使我國(guó)的磁約束聚變研究水平位于國(guó)際前列。

（二）磁約束聚變的前沿問(wèn)題

磁約束聚變的研究開發(fā)不僅耗資巨大，而且在科學(xué)和技術(shù)上充滿了挑戰(zhàn)，以至于在經(jīng)歷了40多年的較具規(guī)模的國(guó)際聚變研究之后，直到20世紀(jì)90年代才基本獲得可以建造磁約束聚變實(shí)驗(yàn)堆的必要知識(shí)和技術(shù)。磁約束聚變還處于探索階段，存在很多物理和工程技術(shù)方面的問(wèn)題需要解決。

目前，國(guó)際磁約束聚變界的主要研究?jī)?nèi)容是與ITER裝置相關(guān)的各類物理與技術(shù)問(wèn)題。ITER裝置設(shè)計(jì)總聚變功率達(dá)到5×10⁵kW，是一個(gè)電站規(guī)模的實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆。它的作用和任務(wù)是利用具有電站規(guī)模的實(shí)驗(yàn)堆證明氘、氚等離子體的受控點(diǎn)火和持續(xù)燃燒，驗(yàn)證聚變反應(yīng)堆系統(tǒng)的工程可行性，綜合測(cè)試聚變發(fā)電所需的高熱流和核部件，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，從而為建造聚變能示范電站奠定堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)和必要的技術(shù)基礎(chǔ)。

ITER計(jì)劃的科學(xué)目標(biāo)具體包括：①集成驗(yàn)證先進(jìn)托卡馬克運(yùn)行模式；②驗(yàn)證“穩(wěn)態(tài)燃燒等離子”體物理過(guò)程；③聚變阿爾法粒子物理；④燃燒等離子體控制；⑤新參數(shù)范圍內(nèi)的約束定標(biāo)關(guān)系；⑥加料和排灰技術(shù)。

ITER裝置運(yùn)行第一階段的主要目標(biāo)是建設(shè)一個(gè)氘、氚燃燒能產(chǎn)生5×10⁵kW聚變功率、聚變?cè)鲆嫦禂?shù)Q=10、脈沖維持大于400 s的托卡馬克聚變堆。在ITER裝置中將產(chǎn)生與未來(lái)商用聚變反應(yīng)堆相近的氘、氚燃燒等離子體，供科學(xué)家和工程師研究其性質(zhì)和控制方法，這是實(shí)現(xiàn)聚變能必經(jīng)的關(guān)鍵一步。ITER裝置運(yùn)行的第二階段將探索實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束的高性能燃燒等離子體，聚變?cè)鲆嫦禂?shù)Q=5、脈沖維持大于3000s。這種穩(wěn)態(tài)高性能的“先進(jìn)燃燒等離子體”是建造托卡馬克型商用聚變堆所必需的。ITER計(jì)劃在后期還將探索實(shí)現(xiàn)高增益的燃燒等離子體。ITER計(jì)劃科學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)將為商用聚變堆的建造奠定可靠的科學(xué)和工程技術(shù)基礎(chǔ)。

此外，ITER計(jì)劃的工程技術(shù)目標(biāo)是通過(guò)創(chuàng)造和維持氘、氚燃燒等離子體，檢驗(yàn)和實(shí)現(xiàn)各種聚變技術(shù)的集成，并進(jìn)一步研究和發(fā)展能直接用于商用聚變堆的相關(guān)技術(shù)。上述工作是設(shè)計(jì)與建造商用聚變堆之前所必須的，而且只能在ITER裝置上開展。ITER計(jì)劃在工程技術(shù)方面部分驗(yàn)證的聚變堆的工程技術(shù)問(wèn)題包括以下幾個(gè)。

（1）堆級(jí)磁體及其相關(guān)的供電與控制技術(shù)研究；

（2）穩(wěn)態(tài)燃燒等離子體（產(chǎn)生、維持與控制）技術(shù)，即無(wú)感應(yīng)電流驅(qū)動(dòng)技術(shù)、堆級(jí)高功率輔助加熱技術(shù)、堆級(jí)等離子體診斷技術(shù)、等離子體位形控制技術(shù)、加料與除灰技術(shù)的研究；

（3）初步開展高熱負(fù)荷材料試驗(yàn)；

（4）包層技術(shù)、中子能量慢化及能量提取、中子屏蔽及環(huán)保技術(shù)研究；

（5）低活化結(jié)構(gòu)材料試驗(yàn)（TBM），氚增殖劑試驗(yàn)研究，氚再生、防氚滲透實(shí)驗(yàn)研究，氚回收及氚純化技術(shù)研究；

（6）熱室技術(shù)，堆芯部件遠(yuǎn)距離控制、操作、更換及維修技術(shù)研究。

ITER將集成當(dāng)今國(guó)際受控磁約束核聚變研究的主要科學(xué)和技術(shù)成果，第一次在地球上實(shí)現(xiàn)能與未來(lái)實(shí)用聚變堆規(guī)模相比擬的受控?zé)岷司圩儗?shí)驗(yàn)堆，解決通向聚變電站的關(guān)鍵問(wèn)題。ITER計(jì)劃的成功實(shí)施，將全面驗(yàn)證聚變能源開發(fā)利用的科學(xué)可行性和工程可行性，是人類受控?zé)岷司圩冄芯孔呦驅(qū)嵱玫年P(guān)鍵一步。

（三）我國(guó)磁約束聚變研究的技術(shù)目標(biāo)和發(fā)展規(guī)劃

我國(guó)核聚變能研究開始于20世紀(jì)60年代初，盡管經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間非常困難的階段，但始終能堅(jiān)持穩(wěn)定、漸進(jìn)的發(fā)展。從20世紀(jì)70年代開始，我國(guó)集中選擇了托卡馬克為主要研究途徑，先后建成并運(yùn)行了CT-6、KT-5、HT-6B、HL-1、HT-6M托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置。目前，我國(guó)的托卡馬克裝置主要有華中科技大學(xué)的J-TEXT裝置、核工業(yè)西南物理研究院的HL-2M裝置和中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所的EAST裝置。

在以上這些托卡馬克裝置的設(shè)計(jì)、研制和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，組建并鍛煉了一批聚變工程師隊(duì)伍，中國(guó)科學(xué)家在這些托卡馬克裝置上開展了一系列重要研究工作。我國(guó)未來(lái)聚變發(fā)展戰(zhàn)略應(yīng)瞄準(zhǔn)國(guó)際前沿，廣泛利用國(guó)際合作，夯實(shí)我國(guó)磁約束核聚變能源開發(fā)研究的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，加速人才培養(yǎng)，以現(xiàn)有中、大型托卡馬克裝置為依托，開展國(guó)際核聚變前沿課題研究，建成知名的磁約束聚變等離子體實(shí)驗(yàn)基地，探索未來(lái)穩(wěn)定、高效、安全、實(shí)用的聚變工程堆的物理和工程技術(shù)基礎(chǔ)問(wèn)題。我國(guó)磁約束聚變的近期、中期和遠(yuǎn)期技術(shù)目標(biāo)如下。

（1）近期目標(biāo)（2015—2021年）：建立近堆芯級(jí)穩(wěn)態(tài)等離子體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，吸收消化、發(fā)展與儲(chǔ)備聚變工程實(shí)驗(yàn)堆關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)、預(yù)研聚變工程實(shí)驗(yàn)堆關(guān)鍵部件等；

（2）中期目標(biāo)（2021—2035年）：建設(shè)、運(yùn)行聚變工程實(shí)驗(yàn)堆，開展穩(wěn)態(tài)、高效、安全聚變堆科學(xué)研究；

（3）遠(yuǎn)期目標(biāo)（2035—2050年）：發(fā)展聚變電站，探索聚變商用電站的工程、安全、經(jīng)濟(jì)性。為了盡早地實(shí)現(xiàn)可控聚變核能的商業(yè)化，充分 利用我國(guó)現(xiàn)有的托卡馬克裝置和資源，制定了一套 完整的符合我國(guó)國(guó)情的中國(guó)磁約束聚變（MCF）發(fā) 展路線示意圖，如圖 1 所示。

圖1 中國(guó)磁約束聚變發(fā)展路線圖

未來(lái)十年，重點(diǎn)在國(guó)內(nèi)磁約束的兩個(gè)主力裝置（EAST、HL-2M）上開展高水平的實(shí)驗(yàn)研究。EAST裝置目前基本完成了升級(jí)，研究能力和實(shí)驗(yàn)條件有了大幅度的提高，可以開展大量的針對(duì)未來(lái)ITER裝置和下一代聚變工程堆穩(wěn)態(tài)高性能等離子體研究，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)穩(wěn)定運(yùn)行在3.5 T、等離子體電流1.0 MA，獲得400 s穩(wěn)定、可重復(fù)的高參數(shù)近堆芯等離子體的科學(xué)目標(biāo)，成為能為ITER裝置提供重要數(shù)據(jù)庫(kù)的國(guó)際大規(guī)模先進(jìn)試驗(yàn)平臺(tái)。結(jié)合全超導(dǎo)托卡馬克新的特性，探索和實(shí)現(xiàn)兩到三種適合于穩(wěn)態(tài)條件的先進(jìn)托卡馬克運(yùn)行模式，穩(wěn)態(tài)等離子體性能處于國(guó)際領(lǐng)先水平。

在此階段，將重點(diǎn)發(fā)展專門的物理診斷系統(tǒng)，特別是對(duì)深入理解等離子體穩(wěn)定性、輸運(yùn)、快粒子等密切相關(guān)的物理診斷。在深入理解物理機(jī)制的基礎(chǔ)上，發(fā)展對(duì)等離子體剖面參數(shù)和不穩(wěn)定性的實(shí)時(shí)控制理論和技術(shù)，探索穩(wěn)態(tài)條件下的先進(jìn)托卡馬克運(yùn)行模式和手段。實(shí)現(xiàn)高功率密度下的適合未來(lái)反應(yīng)堆運(yùn)行的等離子體放電，為實(shí)現(xiàn)近堆芯穩(wěn)態(tài)等離子體放電奠定科學(xué)和工程技術(shù)基礎(chǔ)。同時(shí)需對(duì)裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行升級(jí)改造，以滿足穩(wěn)態(tài)高功率下高參數(shù)等離子體放電的要求。

在未來(lái)幾年內(nèi)，HL-2M裝置將完成升級(jí)，具有良好的靈活性和可近性，進(jìn)一步發(fā)展20~25 MW的總加熱和電流驅(qū)動(dòng)功率，著重發(fā)展高性能中性束注入（NBI）系統(tǒng)（8~10 MW）；增加電子回旋、低雜波的功率，新增2MW電子回旋加熱系統(tǒng)。利用獨(dú)特的先進(jìn)偏濾器位型，重點(diǎn)開展高功率條件下的邊界等離子體物理，特別是探索未來(lái)示范堆高功率、高熱負(fù)荷、強(qiáng)等離子體與材料相互作用條件下，粒子、熱流、氦灰的有效排除方法和手段，與EAST裝置形成互補(bǔ)。

此外，在全面消化、吸收國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆設(shè)計(jì)及工程建設(shè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，以我為主開展CFETR的詳細(xì)工程設(shè)計(jì)及必要的關(guān)鍵部件預(yù)研，并結(jié)合以往的物理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)，在我國(guó)的“東方超環(huán)”“中國(guó)環(huán)流器2號(hào)改進(jìn)型”托卡馬克裝置上開展與CFETR裝置物理相關(guān)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，為CFETR裝置（大半徑R=7.2m，小半徑a=2.2 m，中心環(huán)向磁場(chǎng)Bt=6.5 T，拉長(zhǎng)比k=2，如圖2所示）的建設(shè)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

在“十三五”后期，2021年左右開始獨(dú)立建設(shè)2×10⁵~1×10⁶kW的聚變工程實(shí)驗(yàn)堆，在2035年前后建成CFETR裝置。CFETR裝置相較于目前在建的ITER裝置，在科學(xué)問(wèn)題上主要解決未來(lái)商用聚變示范堆必需的穩(wěn)態(tài)燃燒等離子體的控制技術(shù)，氚的循環(huán)與自持，聚變能輸出等ITER裝置未涵蓋內(nèi)容；在工程技術(shù)與工藝上，重點(diǎn)研究聚變堆材料、聚變堆包層及聚變能發(fā)電等ITER裝置上不能開展的工作；掌握并完善建設(shè)商用聚變示范堆所需的工程技術(shù)。CFETR裝置的建設(shè)不但能為我國(guó)進(jìn)一步獨(dú)立自主地開發(fā)和利用聚變能奠定堅(jiān)實(shí)的科學(xué)技術(shù)與工程基礎(chǔ)，而且使得我國(guó)率先利用聚變能發(fā)電、實(shí)現(xiàn)能源的跨越式發(fā)展成為可能。

圖2 中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆示意圖

三、Z 箍縮慣性約束聚變

（一）Z 箍縮聚變的研究意義與現(xiàn)狀

慣性約束聚變將某種形式的能量直接或間接地加載到聚變靶上，壓縮并加熱聚變?nèi)剂?，在?nèi)爆運(yùn)動(dòng)慣性約束下實(shí)現(xiàn)熱核點(diǎn)火和燃燒。基于脈沖功率技術(shù)的快Z箍縮（fastZ-pinch）技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器電儲(chǔ)能到Z箍縮負(fù)載動(dòng)能或X射線輻射能的高效率能量轉(zhuǎn)換，能量較為充足，驅(qū)動(dòng)器造價(jià)相對(duì)低廉，并有望實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器重頻運(yùn)行，將為驅(qū)動(dòng)ICF以及慣性聚變能（IFE）提供可用的能量源。

20世紀(jì)末，在美國(guó)圣地亞（Sandia）國(guó)家實(shí)驗(yàn)室20 MA的Z裝置上，采用雙層絲陣，產(chǎn)生了峰值功率280 TW、總能1.8 MJ的X射線輻射脈沖，獲得了實(shí)驗(yàn)室等離子體中最強(qiáng)的X射線輻射源，電能到X射線的轉(zhuǎn)換效率高達(dá)15%。在Z箍縮驅(qū)動(dòng)ICF研究方面，Sandia實(shí)驗(yàn)室采用動(dòng)態(tài)黑腔輻射間接驅(qū)動(dòng)靶丸內(nèi)爆，在Z裝置上獲得了超過(guò)210 eV的黑腔輻射場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)兩層氘氘靶丸內(nèi)爆，產(chǎn)生了3×10¹¹個(gè)聚變中子。2010年，Sandia實(shí)驗(yàn)室發(fā)展了直接驅(qū)動(dòng)的磁化套筒慣性聚變（MagLIF）構(gòu)型，并在2014年的Z裝置集成實(shí)驗(yàn)中，利用Be套筒內(nèi)爆壓縮經(jīng)過(guò)預(yù)熱和磁化的氘氘燃料，獲得了2×10¹²個(gè)聚變中子。

中國(guó)工程物理研究院已形成了脈沖功率驅(qū)動(dòng)器、Z箍縮物理理論與數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)與診斷、負(fù)載制備、制靶技術(shù)等Z箍縮方面的專業(yè)研究隊(duì)伍，并深入開展了理論和物理實(shí)驗(yàn)研究、快Ｚ箍縮內(nèi)爆研究、輻射特性研究。已成功建成8~10 MA的“聚龍一號(hào)”裝置，為進(jìn)一步開展內(nèi)爆物理及Z箍縮驅(qū)動(dòng)慣性約束聚變基礎(chǔ)問(wèn)題的研究提供了重要的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。Z箍縮X射線輻射源以及Z箍縮驅(qū)動(dòng)慣性約束聚變，涵蓋了磁流體力學(xué)、輻射輸運(yùn)、原子物理、等離子體微觀不穩(wěn)定性、強(qiáng)脈沖磁場(chǎng)下的輸運(yùn)機(jī)制等多物理過(guò)程和復(fù)雜物理效應(yīng)，對(duì)這樣一個(gè)復(fù)雜的多尺度、多物理過(guò)程，目前的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還無(wú)法對(duì)聚變點(diǎn)火進(jìn)行直接的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，數(shù)值模擬是研究Z箍縮驅(qū)動(dòng)ICF物理問(wèn)題的重要手段。

自2000年以來(lái)，北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所建立了專門的Z箍縮理論和數(shù)值模擬研究團(tuán)隊(duì)，圍繞Z箍縮輻射源物理和驅(qū)動(dòng)ICF技術(shù)路線開展了大量研究。研制和發(fā)展了一維、二維輻射磁流體力學(xué)（MHD）程序，研究了驅(qū)動(dòng)器與負(fù)載耦合、絲消融、先驅(qū)等離子體形成、主體等離子體內(nèi)爆加速和滯止輻射過(guò)程，分析了輻射定標(biāo)率、磁瑞利–泰勒（MRT）不穩(wěn)定性和角向不均勻性變化規(guī)律，獲得了輻射源的時(shí)空特性和能譜特征。研究了利用Z箍縮動(dòng)態(tài)黑腔構(gòu)型驅(qū)動(dòng)ICF的整體物理過(guò)程，并對(duì)動(dòng)能加載和直接驅(qū)動(dòng)等技術(shù)路線進(jìn)行了初步探索。

2006年以來(lái)，中國(guó)工程物理研究院研究團(tuán)隊(duì)提出并形成了Z箍縮驅(qū)動(dòng)的慣性約束聚變混合能源（簡(jiǎn)稱Z-FFR）概念。Z-FFR由Z箍縮驅(qū)動(dòng)器、能源靶、次臨界能源包層構(gòu)成。預(yù)計(jì)1GWe電站造價(jià)約為30億美元，不到純聚變電站的1/3。Z-FFR安全性高，后處理簡(jiǎn)化，可滿足人類上千年的能源需求。

（二）驅(qū)動(dòng)器與負(fù)載能量耦合

Z箍縮技術(shù)的各種應(yīng)用取決于脈沖功率驅(qū)動(dòng)源與負(fù)載的匹配關(guān)系。負(fù)載是實(shí)現(xiàn)超高功率電脈沖能量高效轉(zhuǎn)換的載體，其動(dòng)態(tài)行為演變由驅(qū)動(dòng)源和本身初始狀態(tài)共同決定。用于驅(qū)動(dòng)Z箍縮內(nèi)爆產(chǎn)生聚變等離子體的脈沖功率技術(shù)面臨巨大挑戰(zhàn)。顯然，Z箍縮最顯著的特征之一是負(fù)載與驅(qū)動(dòng)器的強(qiáng)耦合。若改變負(fù)載參數(shù)，隨之將改變驅(qū)動(dòng)器與負(fù)載的阻抗匹配和能量耦合，進(jìn)而影響流過(guò)負(fù)載的電流參數(shù)以及負(fù)載的Z箍縮內(nèi)爆動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

筆者團(tuán)隊(duì)建立了全電路模型，研究驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的電磁能量傳輸和功率壓縮過(guò)程，并與MHD程序耦合，研究了驅(qū)動(dòng)器與負(fù)載的能量耦合過(guò)程，可以模擬給出驅(qū)動(dòng)器不同位置的電流、電壓波形，以及負(fù)載等離子體電流和X射線輻射產(chǎn)額及功率等，圖3是“聚龍一號(hào)”裝置電功率和X射線輻射功率。筆者團(tuán)隊(duì)成功地構(gòu)造了“聚龍一號(hào)”裝置的集總電路模型，如圖4所示，經(jīng)過(guò)多輪“聚龍一號(hào)”Z箍縮實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，獲得了可靠的等效參數(shù)數(shù)據(jù)，為Z箍縮實(shí)驗(yàn)物理設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。

圖 3 “聚龍一號(hào)”裝置電功率和X射線輻射功率

注：Load為負(fù)載；OTL為三板線出口電功率；PFL為脈沖形成線電功率；IS為中儲(chǔ)電功率。

圖 4 “聚龍一號(hào)”裝置用于Z箍縮實(shí)驗(yàn)的集總電路模型

隨著電磁能量在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)傳輸，電功率增加，電脈沖脈寬變短，Marx發(fā)生器微秒級(jí)的電脈沖轉(zhuǎn)換為三板線附近數(shù)十納秒的電脈沖，實(shí)現(xiàn)了能量壓縮和電功率放大。進(jìn)一步與負(fù)載耦合，就可以獲得相對(duì)于電功率更高的X射線輻射脈沖。若改變負(fù)載參數(shù)，在不改變驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部功率壓縮過(guò)程的情況下，將會(huì)極大地影響X射線輻射功率的輸出。如果采用過(guò)輕或者過(guò)重的負(fù)載，無(wú)法達(dá)到驅(qū)動(dòng)器與負(fù)載能量的高效傳輸，產(chǎn)生的X射線輻射峰值功率相對(duì)較低。因此需要進(jìn)行負(fù)載優(yōu)化設(shè)計(jì)，以獲得強(qiáng)X射線輻射。

四、我國(guó)Z箍縮聚變研究的技術(shù)方向和發(fā)展規(guī)劃

我國(guó)已重點(diǎn)開展了Z箍縮等離子體內(nèi)爆動(dòng)力學(xué)及其輻射源物理研究，并獲得了豐富的研究成果，Z-FFR總體概念設(shè)計(jì)研究取得顯著進(jìn)展。但是，對(duì)電流前沿與Z箍縮負(fù)載參數(shù)和內(nèi)爆動(dòng)力學(xué)的關(guān)系、Z箍縮等離子體輻射源定標(biāo)律和Z箍縮動(dòng)態(tài)黑腔輻射場(chǎng)（溫度）定標(biāo)律，以及Z箍縮慣性約束聚變過(guò)程中幾個(gè)重要物理過(guò)程的能量轉(zhuǎn)換效率等關(guān)鍵問(wèn)題研究很少。

超強(qiáng)脈沖磁場(chǎng)是Z箍縮過(guò)程最顯著的特征，在此條件下的等離子體形成、MRT不穩(wěn)定性發(fā)展對(duì)內(nèi)爆過(guò)程及內(nèi)爆品質(zhì)產(chǎn)生決定性影響。在強(qiáng)非線性過(guò)程中，負(fù)載區(qū)的電磁能、Z箍縮等離子體內(nèi)能以及輻射能之間的能量交換非常復(fù)雜。Spitzer電阻率不能準(zhǔn)確描述Z箍縮等離子體電阻率特性，其反常機(jī)制還不清楚。描述和解釋輻射源的產(chǎn)生過(guò)程及物理機(jī)制極為重要。大電流裝置可以為開展Z箍縮等離子體物理實(shí)驗(yàn)研究提供更寬的參數(shù)范圍。

典型的Z箍縮過(guò)程具有柱形內(nèi)爆特征，而聚變靶為球形內(nèi)爆，設(shè)計(jì)合適的黑腔構(gòu)型，使得負(fù)載等離子體Z箍縮過(guò)程與靶內(nèi)爆在時(shí)間和空間上獲得有效分離，這是Z箍縮驅(qū)動(dòng)慣性約束聚變的核心問(wèn)題。在目前我國(guó)已有的裝置上沒(méi)有條件開展此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究。相對(duì)于激光聚變，Z箍縮輻射源時(shí)間尺度較長(zhǎng)，空間尺度較大，難以對(duì)波形進(jìn)行精密調(diào)節(jié)，需要進(jìn)行新的聚變靶設(shè)計(jì)以便有效壓縮燃料，獲得較高能量增益。

建造新一代大電流的脈沖功率實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，有利于開展Z箍縮輻射源、黑腔以及靶內(nèi)爆等Z箍縮驅(qū)動(dòng)慣性約束聚變部分關(guān)鍵物理問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)研究和驗(yàn)證。建議國(guó)家層面支持2018—2025年建設(shè)峰值電流50~70 MA的Z箍縮驅(qū)動(dòng)器，盡快實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火；2030年正式建設(shè)Z箍縮聚變裂變混合堆Z-FFR，2035年開展工程演示。

五、結(jié)論和建議

聚變能源開發(fā)難度非常大，需要長(zhǎng)期持續(xù)攻關(guān)。建議我國(guó)深入ITER國(guó)際合作計(jì)劃，全面掌握聚變實(shí)驗(yàn)堆技術(shù)；積極推進(jìn)CFETR主機(jī)關(guān)鍵部件研發(fā)，適時(shí)啟動(dòng)CFETR全面建設(shè)。鼓勵(lì)Z箍縮盡快實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，探索Z箍縮驅(qū)動(dòng)慣性約束聚變裂變混合堆，加強(qiáng)聚變新概念的跟蹤。

本文來(lái)自微信公眾號(hào)：中國(guó)工程院院刊 （ID：CAE-Engineering），作者：高翔、萬(wàn)元熙（核聚變專家，中國(guó)工程院院士）、丁寧、彭先覺(jué)（原子核物理學(xué)專家，中國(guó)工程院院士）