聚變技術

二十一世紀人類面臨著人口增長、能源短缺、水資源缺乏、環境惡化等危機。據估計，在二十一世紀的上半頁，人類就可能感到能源短缺的巨大壓力。人類未來能源結構將是多樣性的。但是，人們認為，聚變能源在解決能源問題上有巨大潛力，在人類能源戰略中，聚變能源將起著不可取代的作用。

半個世紀以來，聚變研究取得了巨大的進展。但是，在1992年的歐洲SOFT會議開幕式上，Umberto Colombo就指出:“雖然聚變研究取得了重要的進展(91年11月JET的首次實驗從聚變得到可觀的能量就是說明)，我們並未縮短到達商用聚變堆的距離。”

從1996年以來，美國執行其重建聚變能科學計劃，把聚變研究從圍繞ITER的技術研究轉到基礎科學研究上來。1998年，美國正式退出了ITER國際聚變研究計劃。從此，美國聚變界從1996年起，研究工作打破了托卡馬克主導一切的局面，全面活躍。1999年7月，來自美國和世界的350名聚變科學家參加了歷時兩周的會議，討論聚變所有的重大問題，為加強磁聚變和慣性聚變之間、科學和技術問題之間、聚變的基本理解和應用之間相互作用提供了一個重要的論壇。確認，磁約束聚變的下一個前沿課題是燃燒等離子體科學，並且認為，從技術上講，托卡馬克為進行燃燒等離子體實驗已做好了準備。幾年來，美國的聚變技術研究得到了很大發展，並提出了不少創新慨念，為下一步聚變裝置和向著未來聚變堆前進提供了重要機遇。

中國是一個人口眾多、能源資源相對匱乏的發展中的大國，開發聚變能是中國能源戰略的重要組成部分，是中國能源發展規化的第三步。我國的聚變研究與世界聚變發展水平相比，投入低，存在很大差距，這種局面短期內不會有根本的改觀。時刻關注世界聚變研究和聚變技術的發展，增強儲備，從而為不斷提高我國聚變研究的創新能力提供有益的幫助，這對我們的聚變事業在未來的進展有重要意義。

核聚變（nuclear fusion），又稱核融合、融合反應、聚變反應或熱核反應。核是指由質量小的原子，主要是指氘，在一定條件下（如超高溫和高壓），只有在極高的溫度和壓力下才能讓核外電子擺脫原子核的束縛，讓兩個原子核能夠互相吸引而碰撞到一起，發生原子核互相聚合作用，生成新的質量更重的原子核（如氦），中子雖然質量比較大，但是由於中子不帶電，因此也能夠在這個碰撞過程中逃離原子核的束縛而釋放出來，大量電子和中子的釋放所表現出來的就是巨大的能量釋放。這是一種核反應的形式。原子核中蘊藏巨大的能量，原子核的變化（從一種原子核變化為另外一種原子核）往往伴隨著能量的釋放。核聚變是核裂變相反的核反應形式。科學家正在努力研究可控核聚變，核聚變可能成為未來的能量來源。

以下敘述發展聚變技術的機遇，從等離子體技術開始，這些技術使現有的和近期的等離子體實驗能達到它們的性能目標，並且討論為聚變研究長期目標而發展的核技術(等離子體腔體技術、聚變材料和系統設計)的潛力和進步。這些技術提出了像功率抽取、氚增殖、抗輻照和低活性材料，以及有吸引力的聚變反應堆設計等問題。

等離子體加熱和電流驅動

為了把等離子體加熱到發生聚變的溫度並使等離子體進入先進運行模式（反剪切、MHD穩定、湍流抑制），加熱和電流驅動技術是非常重要的。在發展和使用1MW級、110GHz.高功率迴旋管、發展170GHz電子迴旋加熱/電流驅動的原型器件，以及用於離子迴旋加熱ICH和電流驅動(通過直接的電子加熱)的單元功率>1MW的快波天線陣方面，都取得了重大進展。由於當前計劃的重點是提高等離子體性能和降低下一步方案的費用，這些加熱和電流驅動技術發展的著重點將集中在改善功率密度(ICH發射器的更高的電壓限制)、更高的迴旋管單元功率(2~3MW)、提高以多級抑制集電極為特徵的迴旋管的效率、ICH調製和匹配系統(它要忍受快速的變化),以及穩態迴旋管和主動冷卻ICH天線，這些技術將用於長脈衝燃燒等離子體和下一步方案。

加料

為了達到聚變級的等離子體參數並控制等離子體參數達到所要改善的性能(為了高反應率而使得密度分佈峰化和通過抑制湍流來減少輸運)，加料技術是另外一項重要的技術。最近成功的例子包括，DIII-D裝置在密度極限以上的持續運行、具有改善密度剖面峰化的高場側發射、內輸運壁壘的產生、運行在1.5km/s速度範圍的穩態彈丸注入器的發展，以及在原理證明實驗中用加速的緊湊環(CTs)對芯部加料的演示。彈丸加料技術最近也用於改善托卡馬克中的大破裂效應(潛在的嚴重的非正常事件)，用加進大塊低Z和高Z材料使處於垂直不穩定的等離子體電流熄滅。據估計，在聚變能發展層次上，限制托卡馬克破裂會提高偏濾器等離子體面對部件的壽命兩倍。降低破裂的嚴重性可以允許先進托卡馬克運行於接近它的最終潛力。對下一步裝置的等離子體運行加料的決定性的問題是需要剖面峰化的程度(以便更高密度地運行、改善反應率和約束)和滿足那些需要，如彈丸速度、CT密度和CT沉積物理等的技術需求。

等離子體面對部件(PFC)和等離子體與材料的相互作用

高性能(高熱通量、低腐蝕)PFC的成功發展，和對等離子體與材料相互作用的理解是聚變能發展的中心問題。對等離子體與材料表面相互作用的理解和控制，在建立邊沿區等離子體條件中有重要作用，這些條件會導致邊緣輸運壁壘(H模)的發展。並且，低腐蝕等離子體面對部件的發展將會強烈地影響部件的壽命，從而影響聚變動力的費用。最近取得的重大進展包括：對打在耐熔的高原子量材料上的網狀的偏濾器腐蝕的認識、混合材料和共沉積炭－氚薄膜、創新的壁處理技術的發展、穩態熱交換率達10到30MW/m2水平的水冷PFCs(Be/Cu和W/Cu)等。自由表面液體偏濾器研究計劃(ALPS)最近提議對主動熱交換的優越性加以研究，而這裡可不管PFC壽命極限。在這種情況下，需要提出的關鍵問題是發展更高表面熱通量的PFC(目標為50MW/m2)，從而不需要周期性地維修來更換等離子體面對部件(即研究液體表面或氦冷非濺射耐熔金屬)。與托卡馬克實驗進展相協調，正在進行的研究是通過輻射使熱通量更平坦地分佈而不發生等離子體約束性能的退化。

磁體技術

提供約束磁場的超導磁體系統，在整個聚變系統中是一個昂貴的子系統，佔了長脈衝或燃燒等離子體下一步MFE裝置費用的主要部分。在大型直流磁體和用於ITER的脈衝Nb3Sn磁體(磁場強度達13T)發展中，近來取得了引人注目的進展。最近在日本成功地開始了ITER中心螺管試驗，其重量達150噸，是世界上最大的脈衝超導磁體。超導磁體費用的進一步降低，可能由採用更高性能(更高的電流密度和提高失超保護能力)的超導體股線、更高強度的結構材料、和具有更高性能的抗輻照絕緣體(這目前限制了磁體系統的循環壽命)來實現。高溫超導體(可以用於聚變的一定場合，如磁體引線)的發展也取得了引人注目的進展。用於重離子束聚變的四極聚焦磁體也佔有重離子驅動器的大部分費用。大型室溫空腔四極陣列的發展已經被確定為在發展可以花得起錢的下一步重離子聚變系統的一個關鍵元件。

目前的任務是改善製造技術；發展高溫超導體；發展先進的高場低造價超導體和常溫導電材料、先進的結構材料和導管材料、改進導體接頭，以及先進的失超檢測和保護系統等。

高溫超導體技術目前被用於Aries-AT概念設計中。L.Bromberg and j.H.Schultz(PSFC,MIT)日前對ARIES-AT的高溫超導磁體有關問題進行了討論。他們認為，HTS材料是不貴的，$200/kg。如果HTS為$1000/kg，並且結構的費用為$40/kg，那麼磁體的費用就是～$50/kg。他們還討論了高溫超導磁體的工藝問題。

氚處理和聚變安全

氚燃料和氚化的廢氣流的安全操作、在內部部件中氚的滯留量及其裝料的最小化、對氚和活化產物的流動與釋放的認識，是達到演示具有吸引力的安全與環境特點的聚變動力這一目標的重大問題。在用於同位素分離的低溫蒸餾系統的發展方面、和新的一次通過廢氣凈化系統(Palladium Membrane Reactor)的演示，都有了顯著的進展。這種廢氣凈化系統能有效處理氚化水，並有限制在燃料處理系統中的氚化水的能力。

根據在放射性危險材料的流動和緩和機制方面和最新安全分析工具的發展所得到的數據，ITER做了可信的設計，在最壞的事故情況下不必把公眾遷走。在這一方面，重要的研究問題包括：使廢物流(像來自燃料凈化系統的氚化水)最少或加以限制、聚變材料的再循環和再利用可行性的演示、如何使在第一壁材料和共沉積層中的含氚量最少、對能源與氚流動和其他放射性危害之間的互相作用的理解、安全R&D和把氚從先進冷卻介質(如液體壁)中排除的技術(正在考慮把這一技術用於將來的MFE和IFE反應堆級的裝置中)的發展。

遠距離操作和維修

在最終的MFE和IFE聚變堆中，由於材料在強輻照環境中的活化，所有內部部件的維修將需要遠距離地完成。從要達到足夠高的電站有效運行水平來看，就地、快速的維修操作是重要的。最近成功的例子包括內部度量系統的精密化的發展。為了降低費用、改善可靠性和裝置與人的界面、發展重有效載荷的機巧伺服操作系統、以及內部部件的遠距離焊接和安裝，還需要開展進一步的重要的研製工作。

等離子體腔體技術

等離子體腔體技術研究的目標是擴大工程科學的知識基礎、提供創新慨念、並為聚變能的實用、經濟和安全利用解決一批關鍵的可行性問題。這一工作將鑒別和探索內部部件的新慨念，大大改進有吸引力的聚變能系統方式。其R&D的重點放在那些具有高功率密度、高轉換效率、低事故率、能更快速維護、更簡單的工藝和材料要求等的慨念上。當前開展了對液體壁及其相關問題的系統研究。M.Abdou指出，聚變堆的單位電價

其中C和Pfusion－需要高功率密度。這要求高性能的等離子體和新的功率汲取技術；

Replacementcost－需要低的事故率；

Availability～－這需要低的事故率，創新的功率汲取技術，並且需要短的維修時間，簡單的位形約束，更容易維修內部部件的技術。

hth――這需要高溫能量汲取。

M－能量倍增係數。

由此公式可以看出發展高功率密度等離子體、高溫材料和新工藝的重要性。

R&D工作將進行到底，以建立評價最有前途的創新慨念所必須的知識基礎。這些R&D包括在工程科學(例如流體力學、MHD、傳熱、熱力學、等離子體－材料的相互作用、核物理和粒子輸運)關鍵領域的理論、模擬、實驗和分析，以及材料、工程、安全和其他技術學科。R&D要作到對那些主要通過國際合作最近用於系統研究的慨念的技術限制的理解和擴展。要評估建造等離子體中子發生設施(Plasma-based neutron-Producing Facility)的必要性問題，這種設施用來試驗和演示先進技術慨念(在高功率密度下，進行熱提取技術的試驗、積累事故率方面的數據和可維護性方面的數據)的工程可行性。

在創新慨念方面，近期的工作將確認、分析和評估新的、高性能先進技術慨念。這一工作在APEX(Advanced Power Extraction)計劃(強調高功率密度的熱交換技術)下進行。APEX計劃將考慮所有的磁約束慨念(不限於托卡馬克),並包括與等離子體學術界密切的相互聯繫和系統研究。APEX由Mohamed Abdou領導，研究工作自1999年起全面展開，第一份內部研究報告在1999年底前發表。1996年發表的“重建的美國聚變能科學研究計劃的戰略安排”中，其三大政策目標之一就把“發展聚變科學、技術和等離子體約束作為國內研究計劃的中心課題”。創議APEX研究計劃對聚變動力可能帶來“革命性”的影響。近期工作的一些內容包括：

在磁場效應和外加熱條件下，自由層流和湍流射流的研究。在凹形表面流動的層流和湍流流體的穩定性。在液體中形成空洞貫穿的可行性。在液體金屬流體中塗絕緣材料的可行性。候選等離子體面對液體的濺射和基本表面特性。氦冷耐熔金屬聚變動力堆心部件。美國正在進行的另一項研究計劃是ALPS(Advanced Limiter-divertor Plasma-facing System)，其目標是評估高熱通量汲取慨念。它要發展一種系統能夠導致提高功率密度、部件的壽命和功率轉換效率，並且可能為等離子體邊緣控制和粒子抽運作準備。液體表面的限制器和偏濾器提供了潛在的重大優勢。其近期工作放在等離子體邊緣模擬、候選液體的實驗室研究和熱流體力學方面，包括MHD效應。完成在等離子體裝置，如DIII-D(DiMES)和cdx-U中的試驗，提供慨念評估所需要的數據，下一步工作是完成規模更大的整體試驗、開始慨念考察試驗和全面的安全分析等。ALPS的關鍵問題是：液體表面對等離子體邊緣區和等離子體芯部性能的影響、瞬態/破裂事件、達到高功率密度，以及表面對DT/He撲獲與釋放等。

聚變材料

聚變材料計劃(the Fusion Materials Program)的長期目標是發展結構材料，它將使聚變發展成為安全、環境上可以接受、經濟上有競爭力的能源。這個目標將通過理論、實驗、模擬的科學基礎計劃來實現。這些工作提供對在聚變環境下候選材料行為的理解、確認其極限特性和達到改善性能的方法，通過混合物成分和微觀結構的控制，並從事在聚變環境中可以接受的合金和陶瓷材料的發展。另外，這些工作還為生產、製造和系統設計的需要提供材料技術。

在美國有一個專門的聚變先進材料計劃(Advanced Materials Program)。其任務是，“為那些能使聚變成為一種安全、環境上可以接受和經濟上有吸引力的能源的材料發展材料科學基礎。”為創新材料和製造方法的發展而建立材料科學基礎將能改善性能、增強安全和減少整個聚變系統的費用，從而使聚變達到它的全部潛力。

材料系統的選擇是根據材料的關鍵性能目標。決定那種材料會具有能力達到這些性能目標，是要通過系統設計研究(System Design Studies)和聚變材料計劃任務之間的研究協調來進行。現已判斷有三種材料可發展成為聚變系統的結構材料：SiC複合材料、釩基合金和鐵素體鋼。高溫耐熔合金最近也被放入慨念設計評估中。銅合金，由於其突出的熱導和電導性能，在近期應用中是有決定性的重要作用，並且將最有可能在聚變動力系統中找到專門應用，包括常溫導電線圈。由於在材料科學廣泛領域中的進展，或新設計慨念的進展的結果，在未來可能出現考慮使用新材料系統的機會。新慨念設計允許對有可能滿足性能目標的材料系統加以另外的選擇。美國的材料研究近期將繼續把重點放在低活性材料的科學研究上。這樣的低活性材料具有高性能，並且可以承受長期暴露於高能粒子和電磁輻射環境。

MFE和IFE用的聚變材料必須工作在非常苛刻的環境中，這種環境包括高溫、化學相互作用、隨時間變化的熱和機械負載，以及強中子流等的不同組合。在發展有吸引力的聚變動力中所面臨的主要材料問題之一是強中子流的影響，來自DT反應等離子體的第一壁中子鐠含有大量14Mev成分。這不僅導致高的原子位移率(在中子壁負載2MW/m2時，位移率達～20dpa/yr)，而且業引起比裂變堆更高的嬗變率。

對嬗變產物He和H要給予特別的注意，但是其他雜質也是重要的。人們已熟悉嬗變對材料性能變化的影響，例如He在腫脹行為中的作用。由於對材料物理和機械性能的影響，以及材料活化的產生，中子輻照就成為一個特別重要的問題，而用現有設施來對這些問題進行研究是最困難的。

目前，裂變堆是研究中子輻照對聚變材料影響的主要手段。然而，材料在裂變場合所受的影響遠不同於聚變中子能鐠的影響。最近，用許多不同的技術來形成聚變環境，但是，最終還是需要發展14Mev強中子源，以驗證聚變材料是否合格。國際聚變界已建議用點中子源(Point Neutron Source),這是一個基於D-Li相互作用的加速器設施，來填補這一作用。與點中子源對應的是體積中子源(Volume Neutron Source)它可以為聚變系統提供有效的經驗數據，以及進行部件試驗和某些材料試驗的能力。

系統設計指導著美國聚變的研究和發展，使其朝著有吸引力的、可以實現的終端產品前進，並在重大決策時刻提供所需要的技術信息。這一重大作用是通過聚變裝置的設計、有吸引力的聚變產物方式的發展、以及戰略計劃安排和預測來完成的。

在指導聚變R&D方面和為聚變計劃指明發展的重點――即需要發展那些有用產物方面，商用聚變設施的慨念設計是極其重要的。慨念設計為把所有的物理和技術問題可以綜合在一起提供了保證。這個綜合要在物理、材料和技術各方面提出的限制範圍內，從而形成一個在經濟上、環境上有吸引力和技術上可行的系統。通過對物理和技術限制之間相互作用的研究，規定優化目標，並確認那些可以作為更重要的領域，反過來再指導R&D努力的方向。這些研究也為“roll-back planning”提供了一個論壇。

像燃燒等離子體實驗、工藝和材料試驗等聚變試驗設施的設計都是為支持聚變研究計劃的決策提供數據。這一部分研究計劃為重大問題的不斷分析、為所需物理和技術數據基礎的持續累積及其限制的確認、為工程和物理設計分析能力的發展，以及為由物理－技術界面產生的系統問題的評估等作準備。這部分研究計劃把廣泛的國內和國際的聚變發展活動聯繫起來，並探討在性能、費用和技術要求方面具有重大變化的方案。這些研究也為“rool-forwardplanning”提供了一個論壇，並有助於確認近期科學研究與必要的技術發展之間的合理平衡。

作為一項商業產物，聚變的發展是一項重大挑戰，其原因部分是技術問題，部分是由於有限的資源，部分還在於與其他能源方式的競爭。戰略計劃安排和預測研究有助於發展一個描述準則，以回答聚變必須做點什麼才會佔有市場空間。在全球可持續發展能源戰略中，聚變影響的社會經濟研究（Socioeconomic Studies）提出了聚變在解決全球能源問題方面，如像Rio和Kyoto協議所強調的溫室氣體和經濟可持續發展問題，所具有的潛力。聚變非電應用(或兼發電)的研究將發展聚變的新用戶和新的聚變產物。系統研究也有助於規劃聚變發展路線，包括對試驗設施的要求、如何使其費用和聚變發展風險最低、以及如何壓縮實現聚變能的時間表等研究。

我們有必要在此對美國進行的先進設計研究，以及對聚變中子源的探討等加以比較詳細的敘述。

所謂先進托卡馬克必須1，在慨念上有創新的改善：達到高功率密度。這要求改善等離子體的穩定性；裝置要緊湊。這要求改善等離子體約束；實現穩態運行。這要求提高等離子體自舉電流份額。為此，必須發展與此相適應的先進技術和材料。2，通過等離子體的形狀、剖面和MHD反饋穩定的研究，進行等離子體物理的自洽優化。美國對先進托卡馬克反應堆設計進行了多年全面的系統研究。

國家聚變電站研究計劃(NationalFusion Power Plant Studies Program(ARIES))現由FarrokhNajmabadi(UCSD)領導。先進設計計劃對托卡馬克研究的發展已經產生了重大的影響。自1986年以來，ARIES研究計劃早已完成了TITAN、pulsar(脈衝托卡馬克)、spps(仿星器)、ARIES-I、ARIES-II/IV、ARIES-III、StarliteDemo等設計研究。近期完成的研究工作有ARIES-RS反剪貼托卡馬克和ARIES-ST球環托卡馬克。當前的工作重點放在先進托卡馬克ARIES-AT上。並將很快對IFE系統展開全面研究。

ARIES－RS動力電站可以凈產電力1000MW。ARIES－RS的等離子體性能經過了優化，能達到高的等離子體壓力和高的自舉電流份額(90%)，這一切與所要求的平衡狀態下的電流－密度分佈完全一致。電流驅動分析表明，穩態運行需要約80MW電流驅動功率。這個設計使用了鋰冷包層(610的冷卻介質出口溫度和Rankine蒸汽循環)。釩在高溫區的使用，使餘熱達到足夠低的水平。研究表明，在最壞的情況下，失去冷卻事故僅導致少量放射性核素的釋放，遠低於標準要求和正常值。包層做成扇形塊，電站運行期間，所有扇形塊可以通過大的水平窗口迅速移出，隨後在熱室中進行拆卸。簡單的包層設計，它有少量的冷卻通道和結構中的低機械應力，為反應堆運行達到更高的可靠性提供了一個良好的基礎。表列出了ARIES-RS的參數。

ARIES-ST的研究確認了球環托卡馬克研究的幾個關鍵方向：朝著具有>95%自舉電流份額的ST平衡優化繼續前進(ARIES-ST設計中，(=54%，k=3)；發展了可行的中心柱設計；已經確認了幾種等離子體電流啟動方法；電流驅動方式是受限制的；輸出電功率1000MW的ST電站在尺寸和費用上可以與先進托卡馬克電站相比較。表列出了ARIES-ST的參數。

ARIES-AT先進托卡馬克反應堆，其設計的主要特點考慮到了以下四個方面：更高性能的物理參數，發展了具有比ARIES-RS高出50%的b值的平衡，並減少了電流驅動功率；更高性能的磁體，應用高溫超導體；在與ARIES-RS相同的功率密度下，優化了設計，並且用更高的b來降低磁體的峰值場強；高性能的包層，使用新型高溫SiC合成材料/LiPb包層設計，達到～60%的熱轉換效率；通過先進位造技術來降低部件的單位造價。表列出ARIES-AT的參數。

整個先進設計計劃對托卡馬克研究產生了重大影響。在物理方面，引入了等離子體b和自舉電流之間的折衷；表明第二穩定區的真正好處是降低電流驅動功率而不降低b；論證了(1)在脈衝托卡馬克中，等離子體b是受歐姆剖面約束的限制。(2)脈衝和穩態托卡馬克的物理在本質上是一樣的。(3)由於技術限制，穩態托卡馬克不執行脈衝運行；反剪切平衡適於聚變電站。明確確定，ARIES-RS的設計思想已成為先進托卡馬克(DIII-D,C-Mod,FIRE)研究的目標，1999年7月的Snowmass會議也確認，任何一個燃燒等離子體實驗裝置必須具有先進托卡馬克能力。在技術方面，作為一種高性能聚變材料，引入SiC合成材料；考察了用氣體注入和雜質輻射以減少偏濾器中的熱負荷；創新的超導磁體設計；;論證了RF(特別是快波)對電流驅動的好處與摺疊波導；先進位造技術的採用，它徹底使部件的單位造價降低；強調聚變安全和環境問題。目前，在聚變工程方面取得的結果，使材料SiC得到世界規模的研究，刺激了RF電流驅動實驗，對在聚變材料和腔體技術方面的研究也產生了直接影響。

先進設計計劃對新概念研究也產生了重大影響，如：對球環，發展了自洽的穩定性和高b電流驅動計算和高自舉電流ST平衡，表明，大的等離子體拉長是必需的，電阻型ST中心柱可以在電站條件下運行。對於仿星器，發展了新的仿星器磁位形，追求建造更大尺寸的裝置，已引起在美國研究緊湊型仿星器的更大興趣。對於反場收縮，確認需要運行高輻射等離子體芯、極向偏濾器和有效的電流驅動系統，緊湊型RFP是可以實現的。目前，ZT-40、ZT?/FONT>P用於這些實驗，已修改了ZT-H的設計和實驗計劃來研究這些問題。

還值得一提的是，最近研究認為，未來的聚變電站功率應大些，不是1GW，而是3GW。這樣，聚變電價要低得多，使聚變能更具競爭力。

表近期ARIES聚變反應堆設計參數

反應堆ARIES-ST*ARIES-RSARIES-AT

大半徑(m)3.25.55.2

小半徑(m)2.01.41.3

環徑比1.64.04.0

拉長比3.41.92.2

三角度0.640.770.86

等離子體電流(MA)30.81113

軸上環形磁場（T）2.1486

TF線圈峰值磁場(T)7.61611

電子密度(1020/m3)2.742.12.25

ITER-89P定標率倍數1.83(ITER-93H)2.32.7

環beta(%)505.09.2

電流驅動功率（MW）318125

峰值/平均中子壁負載(MW/M2)6.0/4.15.4/44.7/3.8

聚變功率（MW）2,9802,1701,720

熱效率0.460.59

毛電功率（MW）1,000(Pnet)1,2001,136

循環功率份額0.320.170.12

電價(mill/KWh)817653

*註：TF線圈電阻功率325MW。

聚變中子源近期應用的評估研究也是系統研究的一項重要內容。目前，國際聚變研究規劃正走向一個十字路口，距離實現純聚變的商用化還要走很長一段路。美國聚變界正在進行聚變中子源研的探討，期望這個問題的研究結果能促進聚變能早日付諸應用，從而為促進聚變研究發展注入活力，這也是世界聚變界幾十年來的願望。

在聚變研究計劃中，人們很早就考察了聚變的非電應用，其中包括：（1）增殖燃料混合堆（抑制裂變包層）和產生能量的混合堆（聚變驅動一個次臨界包層）；（2）聚變中子源用於裂變堆放射性廢物的嬗變；（3）聚變中子源在聚變材料試驗和工程方面的應用。最近的考慮範圍增加了以下新內容：生產氚、核武器被拆除后鈈的燃燒處理、生產放射性同位素、放射線治療疾病、生產氫和爆炸探測等。最近研究的特點，一是把應用按中子源強度劃分，即10～10n/s（低端）到10～10n/s（高端）。對高端10～10n/s中子源研究所考慮的等離子體是基於ITER物理、先進模式托卡馬克和球環等離子體。另一個特點是在燃料循環方面，至今大部分研究都是考慮D－T燃料循環，但有些研究考慮了D－D－T燃料循環。雖然D－D－T燃料循環的核反應率比D－T燃料循環低，但它具有以下優點：（1）對氚增殖的需求減少了；（2）提供了比D－T燃料循環高的單位聚變功率中子數。

對大部份工作而言，現有的聚變中子源研究都處於概念研究水平，至今還沒有詳細而自洽的設計，包括工程、經濟和環境問題，而且也設有詳細的發展計劃。

根據上述情況，美國ARIES研究組發起了對聚變中子源的系統研究，其目標集中在高端10～10n/s中子源方面。研究的目的是評估做為聚變能研究的近期應用潛力和競爭性。這項研究從概念定義開始，其主要研究內容如下：

（1）對確認為最有用的應用和產品進行評估。（2）與裂變和加速器研究進行比較，以了解做為中子源應用的裂變反應堆和加速器的潛力。（3）系統研究。對作為聚變中子源應用的ITER-based托卡馬克、先進模式托卡馬克和球環的性能與衡量標準進行評價。這些研究將包括對D－T和D－D－T燃料循環的評估。這裡的衡量標準包括：費用（投資，每摩爾的中子費用）；每年產生的總的中子摩爾數；產品的價值；從當前物理數據外推的程度；系統的複雜性；環境、安全和健康影響；發展計劃的時間框架和費用；與一定應用有關的政治問題（如核武器等）。（4）對建議的各種中子源應用概念的工程問題和核特性進行搜集、整理和評估。這些中子源概念包括聚變、裂變和加速器系統。（5）對聚變中子源應用的環境、安全和許可證相關問題進行評估。這些應用如鈈處理和放射性廢物嬗變。在上述概念研究取得結果以後，希望能開始設計階段的工作，以進一步考察具體的目標，其中包括制定發展計劃。

不久以前，在一九九九年七月十二日至七月二十三日的美國聚變夏季研討會[3]上，能源問題工作組的報告提出了聚變的三項非電應用：（1）聚變/裂變應用的中子源；（2）生產氫過程中巨大伴生熱能的利用；（3）深空間（星際）飛行推進器。作為星際飛行推行器要求輸出功率1－8GW，採用先進燃料D－3He。

關於中子源在聚變/裂變方面的應用，報告列舉了的增殖、鈈和其它錒系元素的燃燒和貧化鈾的燃燒。這類應用對聚變的要求大致是：

（1）低Q（1－5）；（2）穩態運行或高的運行效率；（3）接近動力電站的工藝。其評價準則主要包括：（1）中子的成本；（2）中子能譜的有效性；（3）Keff值。關於這種中子源的評估、存在的問題和發展機遇，報告主要列出了以下幾點：

（1）其市場為核動力工業（如用戶DOE的廢物處理）；（2）與這種中子源相競爭的對手是裂變、加速器和廢物的掩埋，必須給予全面的比較和選擇；（3）這類中子源在安全、環境和許可證發放方面，與聚變相比，它更象對裂變裝置的要求，必須認真研究；（4）在純聚變應用的時間表上，在純聚變實現以前，它可能完成一個中間任務，即常說的聚變的前期應用，要認真安排。但能否發展這類中子源還存在不少問題，其關鍵在於：

（1）必須建立一個合適的市場空間；（2）要考慮公眾對聚變印象的影響；（3）必須考慮對純聚變發展計劃的影響；（4）在工藝、可靠性和效率諸方面相關的問題。總之，必須進行足夠的系統研究，並從聚變發展的下一步方案上探討研究和發展此類中子源的機遇。目前，對ARIES－NS的概念探討正在進行中，這是以ST托卡馬克為基本裝置的聚變中子源。有人估計，如果用聚變中子源來嬗變核廢料，在ITER－RC如期進展的條件下，大約需要25年才能建造原型裝置。

另外，下一步(NSO)燃燒等離子體實驗方案設計正在圍繞以深冷銅磁體為基礎的FIRE（FusionIgnitionResearchExperiment）展開，關於先進位造工藝也開始列入探討問題之列。

氚處理和聚變安全

氚燃料和氚化的廢氣流的安全操作、在內部部件中氚的滯留量及其裝料的最小化、對氚和活化產物的流動與釋放的認識，是達到演示具有吸引力的安全與環境特點的聚變動力這一目標的重大問題。在用於同位素分離的低溫蒸餾系統的發展方面、和新的一次通過廢氣凈化系統(Palladium Membrane Reactor)的演示，都有了顯著的進展。這種廢氣凈化系統能有效處理氚化水，並有限制在燃料處理系統中的氚化水的能力。

根據在放射性危險材料的流動和緩和機制方面和最新安全分析工具的發展所得到的數據，ITER做了可信的設計，在最壞的事故情況下不必把公眾遷走。在這一方面，重要的研究問題包括：使廢物流(像來自燃料凈化系統的氚化水)最少或加以限制、聚變材料的再循環和再利用可行性的演示、如何使在第一壁材料和共沉積層中的含氚量最少、對能源與氚流動和其他放射性危害之間的互相作用的理解、安全R&D和把氚從先進冷卻介質(如液體壁)中排除的技術(正在考慮把這一技術用於將來的MFE和IFE反應堆級的裝置中)的發展。

遠距離操作和維修

在最終的MFE和IFE聚變堆中，由於材料在強輻照環境中的活化，所有內部部件的維修將需要遠距離地完成。從要達到足夠高的電站有效運行水平來看，就地、快速的維修操作是重要的。最近成功的例子包括內部度量系統的精密化的發展。為了降低費用、改善可靠性和裝置與人的界面、發展重有效載荷的機巧伺服操作系統、以及內部部件的遠距離焊接和安裝，還需要開展進一步的重要的研製工作。

(Virtual Laboratory for Technology.VLT)

技術虛擬實驗室以及加州大學(San Diego)Charles C.Baker為首。由遍布美國的9個實驗室、10所大學、和7個工業部門共26個單位組成。其工作範圍包括MFE技術與IFE腔體和靶技術。通過VLT研究計劃顧問委員會(ProgramAdvisory Committee)同行評議來保證研究活動的高質量。VLT的領導人在更大的聚變組織中，是技術方面的主要代表和發言人。

VLT的任務是領導和協調美國參與可實現技術計劃(Enabling Technology Program)各團體的工作，包括統一對可實現技術的優先發展和資源的推薦。通過強有力的、有效的交流、數據和硬體的分享、跨研究單位的協力合作，以及整合在許多執行單位進行的全部工作。VLT也將促進人和設施之間的互相聯繫。

作為組織和綜合進行可實現技術計劃的各研究機構相關研究工作的一種機制，VLT將為協調計劃並使各團體參與計劃管理提供一個載體。

VLT慨念認識到，聚變的可實現技術計劃是各種各樣、並且相互聯繫的研究工作之集合。在VLT之前，這些工作顯然缺乏一個明確的指揮部，來支持有關工作和作為在聚變計劃領導人之間的代表。另外，在處理計劃管理和研究計劃的技術評議中也需要更大的統一性。

VLT打算對於在支持可實現技術計劃、各單位參與計劃管理、與內外客戶和風險投資管理者溝通、研究計劃的協調和綜合、制定統一意見、研究計劃的評議等方面提供好處。VLT的“本質”意味著通過網際網路的聯繫來公認所說項目的成就。

過去幾十年裡所看到的，在聚變領域所取得的巨大進步之所以成為可能，部分原因是由於一般技術和特別是等離子體技術的巨大進步。這些進步包括約束等離子體技術（磁體線圈，等離子體面對部件）和那些用以控制等離子體參數與其時空分佈（等離子體加熱和電流驅動，等離子體加料系統）的技術。這些帶有根本性的工具對那些重要的里程碑意義的工作都作出了貢獻，例如

創記錄的等離子體溫度（40Kev）和聚變功率(>10MW)，採用了中性束注入和氚處理系統。通過彈丸注入，nt值超過了過勞森判據。在JET上通過彈丸注入和RF加熱，取得反剪切的維持，造成內輸運壁壘的產生。H模是由於對壁處理技術和對PMI的認識。通過等離子體面對部件(PFC)的發展和等離子體壁處理技術，產生了低雜質等離子體。用RF加熱和中性束注入，演示了非感應電流驅動。通過RF電流驅動技術，實現MHD模的穩定。用彈丸注入的方法，在半經驗密度極限以上持續運行。對於快速等離子體熄滅，用加料技術來緩和破裂。任何一個更有吸引力的聚變能系統概念都是在於它能降低投資、提高可靠性、減少內部部件的事故率、以及提高凈聚變功率的結果。降低投資費用可以由比較小的、高性能等離子體聚變堆芯來達到，即通過比較高的約束磁場強度和高性能等離子體來達到較高的聚變功率密度。在一定程度上使MHD滑動穩定運行的高磁場強度超導磁體技術、射頻加熱技術和電流驅動系統，以及目的在於促成邊緣輸運壁壘的等離子體面對部件（PFC）技術將會成為直接用於提高聚變功率密度的三項基本技術計劃要素。

在降低費用和提高對聚變能在環境上可接受的程度中，技術方面的其他一些要素也發揮著中心作用。例如，要使凈的輸出電功率最大，不僅是用降低循環功率份額的方法，這還意味著採用超導磁體技術、更有效的加熱手段和非感應電流驅動系統，但是，還可以用在高溫下抽取熱量以改善熱轉換效率的方法。後者在PFC、聚變技術計劃、材料計劃（即高溫抗輻照材料、厚流動液體壁排熱和氚增殖慨念）中正在被提出來。在聚變技術計劃中，類似的創新研究，如發展厚液體壁來吸收大多數中子能量，可能提供一個有發展前途的解決問題的方法，來降低內部部件和結構材料的事故率（減少部件更換費用和更高的運行率）。一般來說，改進遠距操作和維修技術對聚變動力系統也是重要的，並且可以期望大大提高聚變動力系統的運行效率。氚系統和聚變安全要素一般與聚變動力的環境吸引力，特別是與下一步燃燒等離子體裝置的許可證發放直接相關。最後，技術和科學計劃要素的自洽、協調的綜合，作為各種位形路線的聚變堆設計的具體化，都反映在系統設計中。這一工作將提供了一個統一的標準，對所有經濟上和環境上有吸引力的聚變產物，用這個標準來衡量現有的和有發展前途的約束途徑的預言和潛在優勢，並控制聚變科學和技術計劃在方向上與其最終目標保持一致。

在發展低費用、下一步裝置和更具吸引力的聚變能源的知識基礎，很可能還有減小尺寸等聚變計劃的目標中，以及為完成這些與長脈衝先進物理運行的要求相關的課題方面，將要求新的和改良的技術：為能量汲取操作高熱負載的技術、實現更低費用的技術、高性能超導磁體設計、發展安全有效的氚處理系統，以及發展更有效和更靈活的加熱、電流驅動、加料系統和緩和大破裂的相關技術。