《聚變能源概論》| 周末讀書

《聚變能源概論》

高喆著

清華大學出版社

想獲得該書的讀者可以在后臺留言，寫下與本書試讀內容有關的體會，留言點贊前8名的讀者將獲贈該書一本。截止時間是9月22日早8點，10點會公布8位獲獎者名單。期待您的參與！

內容介紹

本書力圖在最簡物理基礎下全面介紹聚變能源相關的物理、工程甚至社會問題。本書只有155頁，總體閱讀難度不高，整體上可為本科生等初學者全面了解受控核聚變提供了很好的內容，也可用于對聚變感興趣的普通讀者閱讀，對已具備一定專業知識的人更為系統地整理受控核聚變的一些基本概念也會有所幫助。

本書內容主要包括：

? 從能源的基本概念和太陽等恒星中的聚變開篇，講述人造太陽——受控核聚變可以利用的聚變反應及不同反應的比較;

? 從能源系統的功率平衡概念出發，闡明聚變實現能源利用的必備條件;

? 從如何實現聚變條件出發，介紹幾種可能實現受控聚變的主要途徑;

? 從物理走向工程，審視聚變堆和聚變電站面臨的物理和工程挑戰;

? 最后從聚變能源和聚變研究的特點出發，在社會發展和人類文明進步的高度探討聚變能源研發的前景。

前言

自從知道太陽的能量來自聚變，在地球上建造一個“人造太陽”，實現豐富、高效、清潔、安全的聚變能源利用就成為人類的一個偉大而美麗的夢想。從20世紀50年代到現在的70多年里，聚變能源的開發研究經歷了巨大的進展，也遭受了頗多挫折，然而人類不斷探索進取，爭取早日實現聚變能利用的努力一直在持續，聚變能也一直被認為是可以改變世界能源格局的突破性技術。當下，聚變研究進入從物理到工程的關鍵階段，國際合作的國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃盡管一再推遲但仍在繼續推進，各主要國家也紛紛制定了從實驗堆到工程堆再到示范電站的發展路線圖。尤其是近年來高溫超導材料和人工智能技術的發展有望快速推動聚變發展的進程，政府外的社會資本也開始紛紛支持聚變研發的開展，聚變研究進入一個發展的新機遇期。

在這樣的背景下，不少學校的工程物理或核工程相關專業開始將聚變能源相關課程納入本科必修或限選課程。作者所在的清華大學工程物理系也是如此，為滿足同學們對聚變能源了解的需求，在2018年開設“聚變能源概論”課程，然后從任選到限選再到必修。在授課的過程中，作者從國內外一系列教材和參考書中學到了很多系統的知識，但同時感覺缺乏一本合適的教材用于課程教學。以往的參考書或過于簡略科普而缺乏課程知識體系的系統性和科學性，或專注于等離子體物理之具體問題而缺乏對聚變的全貌性介紹。例如，Friedberg 的《等離子體物理與聚變能》相對而言對聚變系統的功率平衡介紹比較完整，但其等離子體物理部分過于深入，且缺乏對聚變工程部分的介紹；McCracken 等的《宇宙能源——聚變》則過于科普；F.F.Chen 的《等離子體物理導論與受控核聚變》是等離子體物理入門的經典教材，但涉及聚變的系統介紹較少；Roth的《聚變能引論》在物理和工程的安排上較為均衡，但成書較早，內容陳舊。因此，在聚變能源概論課程教學的工作中，作者逐漸萌生了編寫一本教材的想法。本書就是從課程講義出發，經過幾輪試用，不斷聽取各方建議逐漸更新完善，從而形成現在的版本。

本書是一本概論性質的教材，希望讀者能由淺入深，從能源角度系統地審視聚變研究中面臨的物理、工程甚至社會問題，對這些問題形成初步但準確的了解，以期在大學二、三年級具有的大學物理知識基礎下對聚變能源的概況和發展有比較全面、科學、客觀的認識，對關于聚變能發展的各種信息有一定的分析和辨識能力，從而滿足本方向學生以及對聚變能源感興趣的普通讀者了解聚變的一般需求。因此本書對等離子體物理部分采用了盡量簡略的方式，并盡可能從圖像出發解釋其中的一些概念，對一些知識在直觀解釋的前提下直接給出結論，對聚變研究則著重于前沿趨勢而非具體研究的細節。這些都是為了降低普通讀者和一般學生閱讀本書的難度。然而，對于有志于繼續從事聚變方向研究的同學和科研工作者，則需要針對本書省略的大量物理和工程技術細節，通過更專業的書籍、文獻及科學研究進行深入的學習和探索。

在本書的編寫過程中，我的助教魏云逍、李自龍、黃子凱、董晨超等對文稿、公式進行了校對，對習題進行了解答，特別是魏云逍協助完成了許多插圖的繪制；在清華大學的課程教學過程中，學生們檢查出了許多各種各樣的錯誤，并提出了很多有益的意見和建議，作者在此一并致謝！

不可避免地，由于作者的視野、水平和時間所限，本書的知識、觀點及整體結構都有繼續改進的空間。在此懇請讀者指正，俟后修改。

高喆

2024年8月于清華園

章節試讀--第九章

聚變能源與社會

為了在更大的背景下進一步了解聚變能源，本章將總結聚變能源的特點，介紹聚變能源科學可行性、工程可行性和經濟可行性的研究進程，進一步總結聚變研究中“能源”與“科學”兩大導向相互糾纏的大科學、大工程的特點。基于聚變研究會受到各國政策和國際形勢巨大影響的判斷，本章還簡單介紹了世界主要國家的聚變研究政策及以國際熱核聚變堆（ITER）設計和建設為代表的國際合作現狀，試圖在廣闊的政治、經濟、社會背景下理解聚變發展的起起伏伏。最后，對未來聚變能源的廣闊應用進行了展望。

9.1

為什么我們需要聚變能

在了解了更多關于聚變的知識后,我們可以用豐富、高效、清潔、安全這四個詞來總結聚變能源的特點。

“豐富”源自聚變燃料的豐富性。如果D-D聚變是聚變能源的主要反應，那么海水中的氘儲量足夠滿足人類幾十億年的能量需求，換言之，如果最終實現基于D-D反應的聚變能應用，就永遠解決了所謂的能源問題。退而求其次，如果只實現了D-T聚變的能源應用，其燃料則受限于地球上的Li礦儲量。誠然，由于Li在儲能上也有巨大應用, Li將會成為非常重要的能源材料。但就目前的估計，地球表面的Li可以供人類使用幾千年，如果考慮到海洋中的Li，這個年限可以延長到幾十萬年，人類應該有信心開發后續的D-D聚變能源或者其他能源形式。至于3He及B等其他可能的聚變資源，也有著差不多的量級。因此，聚變能的豐富性是毋庸置疑的，基本上可以認為只低于風能和太陽能等可再生能源。

如果說可再生能源在豐富性上可以和聚變能源相比的話，“高效”（或者說高的儲能密度)這一特點則完全是作為核能的特征，聚變能源也不例外。因此，聚變電站毫無疑問可以作為一個大國或者一個地區的基礎性能源存在。

“清潔”是聚變能源的突出特點。一方面，聚變能源沒有直接的溫室氣體排放，更沒有其他污染氣體（如硫化物、氮化物）的排放，是典型的綠色低碳能源；另一方面，和裂變能相比，它不產生長壽命的高放射性廢物，甚至可以通過應用先進聚變反應或先進壁材料部分或徹底地消除放射性廢物的產生，因此在放射環境考量上也是清潔的。

聚變能的“安全”體現在幾個方面。首先，聚變堆是工作在本征安全的功率平衡點，即滿足熱穩定性；其次，由于聚變燃料需要達到點火條件，因此同一時刻投入反應器的聚變燃料是少量的，總能量是受限的；最后，即使有中子產生的聚變堆，其運行也類似于射線裝置，放射性安全可以得到很好的保證。聚變能可能唯一要考慮的安全性問題是其燃料涉及核不擴散，需要一定的核安保措施。

總結一下，聚變具備理想能源的特點，有可能從根本上解決人類社會所面臨的能源問題。但是聚變到目前為止還只是一個潛在的能源，因為我們在第1章就明確指出，只有為人類“掌握”的才可以稱為“能源”，因此聚變能開發研究可能是人類發展史上的一個極其重要的事件。

9.2

從科學走向工程的聚變研究

任何概念或者想法走向最后的應用，都要經歷科學可行性驗證，到工程可行性驗證，再到商業可行性驗證的過程，聚變能源也不例外，也要經歷這樣的過程。

9.2.1 科學可行性的驗證

自20世紀50-60年代各種聚變約束概念百花齊放后，過去60年的研究絕大部分屬于科學可行性驗證的進程。聚變能源的科學可行性研究大體上包括概念研究、原理驗證和性能拓展等多個階段（圖9.1）?？梢悦鞔_的是，目前聚變能源的科學可行性己經得到驗證。

圖9.1 聚變能源開發研究的基本過程

對于磁約束聚變，以托卡馬克為代表，人們基于一定的物理理解，主要依賴實驗探索的手段，獲得了密度、能量約束時間的定標律，在實驗室實現了聚變能源所需的溫度10~20 keV（甚至實現了超過40 keV的高溫），在秒量級上實現了十兆瓦量級的聚變功率輸出。1997年，歐洲聯合環（JET）的DT放電中能量增益因子達到0.64。從簡單的物理圖像出發，可以預料，只要再稍微增大裝置的尺寸（或磁場、電流等參數），超過能量得失相當（

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對于慣性約束而言，1988年，美國利用地下核試驗時核爆產生的部分X射線轉化為驅動慣性約束所需的輻射能，校驗了間接驅動的原理，證明了高增益激光聚變的科學可行性。在激光靶耦合物理和內爆物理過程研究進展的同時，激光器能量成為最關鍵的因素。2021年，激光聚變取得歷史性突破。利用美國國家點火裝置（NIF）的1.9 MJ的激光能量輸入，獲得了創紀錄的超過1.3 MJ的聚變能量輸出。2022年12月，又利用2.05 MJ，激光輸入，產生3.15 MJ的聚變能量，物理增益因子超過1，基本驗證了激光聚變的科學可行性。這個結果的意義類似于JET 1997年的結果,，盡管尚未實現電能能量得失相當,，但在邁向和超越這一目標，應該沒有不可逾越的科學阻礙了。

9.2.2 工程可行性的驗證

目前國際社會進行的ITER計劃以及各國以示范堆為目標的研究（如我國的CFETR）可以認為是聚變從科學可行性向工程可行性的重要轉變階段。這個階段的主要任務將是聚變堆相關工程技術上的開發研究。盡管仍然會長期存在的燃燒等離子體物理及穩態運行物理仍然可以歸于科學研究的范疇，但它們很大程度上已經是為了能源性質更加“優質”的目的。

對于工程可行性，有兩類重要的問題。

一是目前大型聚變裝置上的聚變工程技術是否能夠在未來聚變堆上進行整合利用，包括磁體技術、真空技術、電源技術、輔助功率技術、加料技術、診斷技術、控制技術等。這些技術從實驗裝置到聚變堆的遷移并不總是顯然的。比如：現在的加料技術是否適用于更高密度更大尺寸的堆？目前接近等離子體的控制技術是否在堆中使用？目前基于物理研究的診斷與未來基于運行監測的診斷存在什么樣的差異……

二是從裝置到電站所必須面對的材料問題和燃料循環問題。這一點在第8章已經具體展開，應該說這是決定聚變能否從實驗室走向電網的關鍵。

9.3

聚變能源的經濟性

如果聚變在工程上也是可行的，那么聚變能就面臨著進入電力市場與其他能源競爭的局面，這就是聚變能的經濟可行性或者商業可行性的問題。在第7章估算了聚變堆的規模和主要參數；第8章又考慮了聚變電站的整體系統和關鍵工程技術。由此，我們可以計算出建設聚變電站的投資成本和聚變發電的單位電價，這就是聚變電站經濟性研究的主要內容。

一個發電站的成本主要包括直接成本、間接成本（或者稱外部費用）及其他意外成本。對于類似D-T這樣利用熱電轉換的電站，其直接費用主要包含三大部分：① 產熱部分，對聚變堆而言就是聚變反應堆；② 熱電轉換部分，即渦輪機和發電機；③ 土建與結構部分。后面兩部分對于大部分熱電站都是一樣的。對于聚變電站而言，其成本主要來自聚變反應堆本身，按目前的估計，大約要占到總成本的40%以上。反應堆的成本則來自我們在第8章討論的各個部分：線圈、低溫、包層、屏蔽、輔助功率、換熱器以及初始燃料。其中有些是初始的一次性成本，有些則是需長期持續投入的成本，后者需要計入工程增益因子，但前者并不需要。比如，雖然初始燃料（由于氚的緊缺性）是一個客觀的巨大成本，但其穩態運行后，其在單位電價的占比將會是很低的。其原因當然歸功于它的高放能，幾克燃料就可以產生和幾十噸石油一樣多的能量。

很明顯可以看出，聚變的經濟性評價有著非常大的不確定性。其不確定性當然最主要的是聚變能源開發中物理和工程發展具有不確定性，但同時這個不確定性也與其他能源的替代性和技術發展密切相關。實際上，當對聚變能還沒有那么大的需求的時候，談它的經濟性其實意義并不大。如果聚變能是不可替代的，那么談它的經濟性實際上也沒有什么太大意義，因為談經濟性本質上是和其他能源的比較。經濟性的評價當然和技術發展有關，一個最典型的其他能源的例子就是太陽能，當社會投入巨大資源去進行開發的時候，其技術發展會導致太陽能的經濟競爭力迅速變得非常高。美國橡樹嶺的科學家，時任美國ITER參與計劃的負責人紹霍夫（Ned Sauthoff）說，有些事情的速度取決于興趣，而有一些事情取決于錢，不是說10倍的錢就能讓速度快10倍，但是有雙倍的錢，我們絕對可以把速度翻番。這是一個很直接但也很形象的說法。

那么聚變是不是一個緊迫的能源呢？這和化石能源燃料的價格、環境污染的情況及治理費用、可再生能源的技術發展及儲能技術發展等都有關系。如果化石能源很好地和環境治理結合起來，可再生能源能夠很好地和儲能技術、智慧電網技術等結合起來，那么聚變能源的迫切性不是那么強，進而社會的資源投入可能也就不會那么多，技術發展就不會那么快，經濟上也就不會很快具有競爭性。阿齊莫維奇在被問到聚變能何時才能實現時，有一句著名的話——“當社會需要聚變時，聚變就會準備好”。其實說的也是這個道理。

圖9.2是歐洲委員會在1996年做的一個評估，對各種能源形式在2050年的相對價格進行預測和比較。其中，化石燃料由于其高昂的外部費用是不具競爭力的，可再生能源頗具競爭力，核電盡管處于一個很弱勢的輿論環境，但依然是最便宜的能源。對聚變而言，盡管其直接費用非常高，但是其他費用其實相當低，所以結論是商業聚變電站的目標看起來，是“苛求的，但卻是合理的，而且是可以達到的”。

圖 9.2 各種能源形式的發電在2050年的相對價格的預測

(資料來源: McCracken G.宇宙能源,聚變[M]. 585所,譯.北京:原子能出版社, 2008.圖12.4.)

9.4

聚變研究的大科學工程特點

聚變研究進入從科學到工程的關鍵階段，但即使在目前聚變研究裝置的層次上，聚變研究也已經完全具有大科學工程研究的顯著特點。

第一，物理和工程密切結合、相互促進和相互制約。這一點在前面兩章中有充分的介紹，這里不再贅述。

第二，涉及的學科面廣，對人才的需求高。聚變涉及核科學與技術、物理學、材料科 學與工程、電氣科學、熱能科學、電子科學與技術、自動控制、機械等眾多學科方向，因此無論是在數量上還是質量上都有旺盛的人才需求，尤其是需要交叉性的人才需求。

第三，通常投資巨大，尤其是進入科學可行性和工程可行性驗證的關鍵階段，因此會受到社會、經濟、政治等因素的巨大影響。也因此，研究過程是否產生附加的科研、經濟或社會效益對于研究能否持續獲得支持也有很重要的影響。

第四，研究途徑的選擇和研究目標的達成具有不確定性。不同途徑在不同層次上的比較則存在困難。同時，由于受到投資的影響，調整主流研究方向存在很大的困難，這一點我們在前面多種聚變途徑的比較上也有較深入的探討。

聚變研究一直受到“能源”和“科學”兩個定位的重要影響?；仡櫨圩冄芯康臍v史，當聚變研究定位于“能源”時，政府及公眾會對其發電的時間表存在迫切的、有時甚至是不切實際的期待。聚變研究的人員由于對聚變科學的“無知”，或者對科技資源投入的迫切渴望或多或少誘發或者加劇這種期待。但是，在這種情況下，聚變的艱巨性往往就體現出來了，對社會的盲目承諾帶來“永遠的三十年”或者“永遠的五十年”之類的調侃。然而，當聚變研究只定位于“科學”，對于科技界而言，可能導致研究不能圍繞聚變能源利用的關鍵問題開展，而是拘泥于一些“無關緊要”的細枝末節。更關鍵的一點是，這可能會導致政府和社會對聚變的興趣減低和科技資源投入的減少，進而極大地延緩聚變研究的發展。

事實上，“能源”和“科學”是聚變研究的兩個側面，辯證地處理好二者的關系對于聚變研究有著極其重要的意義。如何以能源應用為推動力，規劃和發展大科學裝置和急需的工程技術，為準確把握和解決聚變能源的關鍵科學問題創造條件，同時不斷解決能源應用的工程實現條件，是聚變研究規劃的重要挑戰。但是，毫無疑問，這需要來自國家、社會的長期持續、高強度的支持。

9.5

各國聚變研究政策

聚變實際上是一個非常典型的大科學、大工程，同時它有非常大的不確定性，因此它受到政策非常大的影響。目前，雖然商業資本的投資開始進入聚變領域，但是從大規模的投入來講，還主要是各國政府的國家行為。雖然面對聚變能的巨大潛在價值，世界各個大國都把聚變作為其國家科技研究計劃的組成部分，但各個國家面對各自不同的情況，基于不同的考慮，在聚變政策上還是存在很大的不同。這一節稍微對一些主要國家的聚變研究歷史和政策進行回顧，目的是展示聚變研究政策對聚變研究的影響。

美國的聚變研究政策可以說是“振蕩”的。在20世紀70年代石油危機的背景下，聚變預算不斷提高。到80年代，以美蘇冷戰下的合作為契機，ITER提上日程（1986 年，ITER完成概念設計，1992 年，ITER 完成工程設計）。這個上升的趨勢在90年代初達到頂峰，美國提出長期聚變能源項目，目標是2025示范堆。但隨著TFTR沒有實現其預想的科學目標，美國開始大幅削減聚變預算，并以加強基礎研究為名退出ITER計劃。一直持續到2003，美國才重新加入 ITER，并重新提出世紀中葉商用目標。2024 年年底，由于高溫超導技術的發展，美國提出了更加激進的聚變戰略，但投資的主體已經開始包含商業資本，而不僅僅是國家投資。盡管美國的政策是起伏變化的，但也可以看出美國聚變政策的原則，那就是“美國優先”的國家能源安全，目標要保持美國在聚變科學技術上的優先地位。由于這個原則，美國才體現出在能源和科學定位上的搖擺以及在國際合作上的搖擺。類似的道理,美國在聚變商業能源仍然保持磁約束和慣性約束的選項，并在科學計算開展數值模擬聚變研究上投入了巨大的資源。

日本在聚變能源開發研究中是執著的。日本政府和科技界對聚變研究極其重視，認為是未來革新能源的首選，與國家經濟和國家安全息息相關。日本在聚變方面的研究是很杰出的，也是引以為豪的。同時日本政府希望在聚變領域的進展，通過其在等離子體物理、等離子體運用、計算機模擬科學、宇宙和天體等離子體物理、超導工程、材料科學等方面取得各種科學成果，提升了國家的科技和學術水平。日本的聚變研究總體上圍繞ITER展開，確立研究的優先順序要看它對ITER有多大的貢獻，但也考慮將“開發性的研究”和“學 術性研究”相結合。日本在聚變上的投入是巨大的。在20世紀90年代的核心裝置JT-60U的基礎上，和歐洲合作,，正在建設國家中心裝置JT-60SA，同時在IEA合作框架下，建設國際聚變材料放射測試設施（IFMIF）裝置。日本同時還保持在仿星器、球形環上具有國際先進水平的研究選項。

歐盟在能源政策上一直總體保持低碳和反核的立場，因此，除了風、光等新能源外，聚變能是持續提供穩定能源的潛在途徑，因此歐盟核能研究的大部分金融投資在聚變能領域，而研究途徑主要集中在磁約束。歐盟的前身歐洲原子能共同體（EURATOM）自1957年就開始支持聚變R&D。1958年，歐洲聚變協議（Associations）簽訂，其目的是通過合作，避免浪費、利益最大化、集中力量研究聚變。目前，所有歐盟國家、瑞士和參加協議的歐盟候選國都是其成員，EURATOM通過協議提供一般性資金。一個“優先支持”體系為那些判定對整個聚變計劃有益的大項目提供更高層次的支持，并鼓勵其他小成員通過發展、安裝、開發輔助設備的方式參與大實驗。允許EURATOM在所有聯合實驗室間平等分配工作，確保各成員國的研究活動是平衡和互補的，還使得一些對于單獨成員太大的項目成為可能。1977年，在這個框架下，建造了迄今為止仍然是世界上最大的托卡馬克JET，并初步驗證了聚變的科學可行性。1999年，The Associations與歐盟聚變研究成員間簽訂了歐洲聚變發展協議（EFDA），其目標是加強所有歐盟聚變界平等與合作的協議，包括聚變技術R&D、JET開發和使用以及為ITER及DEMO (示范堆）所需物理和技術研究提供支持，從而將技術活動合并進Association和歐盟工業體系中。歐盟聚變目標是建立一個電站模型，驗證聚變運行安全性、環境兼容性和經濟可行性，因此除明確的科學研究和路線圖外，注重工業界的參與和聚變社會經濟學的研究。

我國的聚變研究總體上緊跟國際聚變研究的步伐。2006年，中國正式加入ITER 計劃，標志著中國開始以成熟大國的心態重視聚變能研究開發，我國的聚變研究進入新階段。在《國家中長期科技發展規劃》（2016-2020）中也明確指出“以參加國際熱核聚變實驗反應堆的建設和研究為契機，重點研究大型超導磁體技術、微波加熱和驅動技術、中性束注入加熱技術、包層技術、氚的大規模實施分離提純技術、偏濾器技術、數值模擬、等離子體控制和診斷技術、示范堆所需關鍵材料技術，以及深化高溫等離子體物理研究和某些以能源為目標的非托卡馬克途徑的探索研究”。在國家制定的“雙碳”目標中，聚變也被作為未來的顛覆性技術得到重點考慮。國家高層領導非常重視聚變事業，國家的核聚變能源研發投入力度大大增加。除參與ITER計劃外，通過ITER計劃國內專項支持的實施，迅速提高了國內的研究水平和人才培養，使得中國聚變研究從跟跑到并跑，并在若干方向實現領跑的局面。在新的形勢下，中國除了運行好國內的兩大科學裝置EAST和HL-2A/M外，還在球形環、仿星器、反場箍縮等方向上增加儲備途徑的研究。ITER采購包的研發星極大地推動了聚變相關工程技術的發展。特別地，以聚變能源為目標，啟動了國家重大基礎設施聚變堆主機關鍵系統綜合研究設施（CRAFT）的建設，并開展了中國聚變工程實驗堆（CFETR）的物理設計和工程設計，將聚變發展的機遇掌握在自己手中，努力促成以我為主的國際合作。

我國在聚變研究上也是采取磁約束和慣性約束并重的發展道路。慣性約束聚變的研究起步在國際上來說還是比較早的。自20世紀60年代王淦昌先生與蘇聯科學家同期獨立提出激光聚變的思想，我國陸續建成神光系列激光裝置、星光系列激光裝置、強光一號、聚龍一號、熒光1號、FP-1等裝置以及多個超強超短激光實驗裝置等，在中心點火和快點火激光聚變、Z 箍縮聚變、磁慣性聚變、離子束聚變等各個領域都開展了慣性約束聚變研究。過去十年內，我國持續加強對慣性約束聚變研究的支持力度，開展了國際前沿研究，形成了從理論、模擬、實驗、診斷、裝置研制全鏈條、完備的研究體系，在國際慣性約束聚變領域的影響力進一步提升。

9.6

聚變國際合作

聚變是全人類共同的事業，又是一個極其艱巨的事業，因此具有非常好的國際合作可行性。1958年后，各國決定完全解密各自的磁約束聚變研究，全球合作開展研究，其頂峰是目前正在建設的國際熱核聚變實驗堆（ITER）。

1985年，美蘇決定設計建造ITER，并得到國際原子能機構的支持。后來美歐蘇日四方共同開始了ITER的設計，它的目標是實現等離子體的自持燃燒，為下一步的聚變示范堆（DEMO）打下基礎。對于ITER的建造，聚變界也有著不同意見，認為花大量的金錢基和時間投入在一項結果未卜的研究上過于冒險，同時其他約束方式的研究空間和經費將會受到更大的擠壓，未必對整個聚變研究有利。美國在1997年以調整和反思聚變政策為由宣布退出ITER的建設。不過歐盟和日本的態度非常堅決，仍然全力支持建造ITER，并于2001年完成ITER最終設計。經過幾年的思考和討論后，人們還是認識到ITER的建設的必要性，2003年，美國、中國和韓國加入ITER。2005年6月，在莫斯科召開的中國、歐盟、美國、日本、韓國、俄羅斯六方會議上，最終決定由六方共同出資，在法國南部卡達拉舍（Cadarache）建造 ITER，以期快速推進核聚變研究。該計劃總投資100億歐元。隨后印度談判加入ITER。2006年5月，七方草簽了《ITER聯合實施協定》, 2007年10月ITER國際組織作為法人正式成立。這標志著ITER計劃進入了正式執行階段?，F在參與ITER的七方,美國、歐盟、俄羅斯、印度、中國、韓國、日本，應該說是集中了全世界的主要力量來做這件事情。

ITER的科學目標是物理增益因子Q 要等于10，即在50 MW功率注入的情況下產生500 MW的功率輸出，運行時間300~500 s。另外兩個要驗證的運行模式分別是 Q =5 的穩態運行和Q >30的脈沖運行。在物理上，ITER將進入α粒子自持加熱為主的等離子體運行狀態，這被稱為燃燒等離子體，是一個人類尚未在實驗室中實現的狀態。

ITER在技術上的目標主要有三項，一是對現在所有運行技術進行集成，演示其在堆級裝置上的應用；二是對聚變包層模塊進行測試；三是對氚增殖進行原理性演示。

ITER當初提的建設費用大概是50億歐元，由于工程延期目前已經幾乎翻倍。 目前ITER的實驗計劃是在2025年年底產生首次等離子體，2035年前后進行D-T放電，但很有可能再次延期。由于各國都希望通過ITER獲得盡可能多聚變堆建設和運行的知識，因此在很多關鍵部件上都有多方參與，結果就是由做得最慢的一方決定其整體進程，這就是大型國際合作面臨的巨大問題。顯然，這并不是單純的一個科學技術的問題。

盡管ITER仍然面臨非常多的困難和不確定性，但它是建立在各個國家一致支持聚變的政策基礎上。在全球對于低碳能源、低碳社會發展的共識越來越強的背景下，聚變的國際合作在未來只會繼續加強。ITER已經成為一個事實，應該會繼續堅持做下去，目前ITER第一階段的安裝也已經順利完成。ITER在拉丁語里就是“道路”的意思。在目前看起來，國際熱核聚變實驗堆的確是人類通向聚變能源的一條道路。

9.7

我們的征程是星辰大海

受控聚變研究從20世紀50年代到現在已經70多年過去了，聚變能仍然沒有成為可以連入電網的真正實用的能源。從科學的角度看，聚變等離子體的三乘積在幾十年內增加了幾個量級，其增長速度相對于芯片的發展或者加速器的發展來說也毫不遜色。然而因為其最終的目標尚未實現，人們開始憂慮投入巨大的精力去探究聚變能源是不是走在正確的道路上，尤其是一些將自己的事業傾力于此，然而未能在其職業生涯即將結束時看到期待收獲的人，其充滿失望的情緒對公眾有著強烈的感染力。

然而，人類是需要夢想的。盡管實現夢想可能需要很長很長的時間。上天入地、千里眼、順風耳、虛空世界，這些夢想曾經是那么遙不可及，但時間使得其最終開花結果。聚變是人類關于理想能源的一個美麗夢想，這個夢想是如此美麗，即使它不斷被現實的殘酷打破，但追夢的人還在，夢想也依然在。經過幾代人在現實中的努力，人們越來越接近實現這個夢想，雖然經驗和教訓告訴我們，這個距離也許比我們預計得還要遠一點。但那又有什么關系呢？只要追夢的人不斷前行，夢想就會越來越近。即使不去考慮還有那么多愿意將畢生精力投身聚變夢想的人，只要看看這樣的事實——聚變的一點點消息，有些甚至是蹩腳的假消息，就能引起公眾極大的熱情，只要看看不斷有人暢想一個由核聚變供應能量的世界是什么樣子，你就會明白有多少人心中有著聚變的夢想種子。如果我們的夢足夠大膽，我們會發現人類終將走出太陽系，那時候你會發現我們走出太陽系的唯一可能使用的能源就是聚變能，我們別無選擇。

最后再次用托卡馬克概念的實現者、蘇聯核聚變研究先驅阿齊莫維奇的一句話來結束本書，他在回答關于聚變前景的問題時說， "聚變會在社會需要它的時候準備好的”，那么現在的世界是不是已經開始需要聚變能源了呢？

目錄

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