如何实现可控核聚变的稳态燃烧？

聚变堆 氘氚聚变 燃烧等离子体 高约束运行

为获得足够大的聚变功率，并保证自持燃烧所需的足够高的氚增殖率，未来聚变堆运行需要将其芯部等离子体密度、温度和约束性能提升足够高，聚变核心综合参数“三乘积”达到1021量级，以实现稳态燃烧。在此苛刻条件下，堆芯高性能燃烧等离子体运行将面临如下挑战。 1、电流驱动问题： 如何在大电流、高密度条件下获得足够的离轴驱动电流来维持等离子体高约束运行，避开大尺度磁流体不稳定性,实现完全非感应得稳态运行已成为未来聚变堆稳态燃烧的关键核心问题。大电流高密度下的电流驱动问题可分解为两个子问题：外部电流驱动和自举电流。对于外部非感应驱动电流：一方面，外部射频波将难以深入沉积到等离子体内部从而无法获得理想的加热和电流驱动效果。中性束加热则要求更高的束能量（或高达几十万电子伏），且由于中性束注入沉积剖面较宽，单独依靠现有的中性束注入技术难以获得离轴峰化的电流驱动剖面；另一方面，随着堆芯等离子体提升，离轴驱动出目标磁剪切剖面所需非感应驱动电流更大，同时随着密度提升，外部电流驱动电流份额又会显著下降。对于驱动聚变堆目标磁剪切和自持的另一个关键参数—自举电流：大等离子体电流使得其份额显著下降，而提升密度则有助于其份额提升。注意到，提升等离子体约束性能可显著提升自举电流。如何在堆芯大电流、高密度等离子体运行条件下发展效率更高、具有技术颠覆性的外部非感应电流驱动手段获得更为理想的外部电流份额和沉积剖面，如何提升等离子体约束性能进而大幅提升自举电流份额，是聚变堆燃烧等离子体下实现电流驱动所亟待解决的两大问题。 2、加料与排灰问题： 在燃烧等离子体高密度条件下，传统加料方式难以深入等离子体内部，从而使得芯部等离子体燃烧效率显著降低。弹丸加料虽可进行深度加料，但其会导致密度剧烈波动，严重影响等离子体稳定运行。高密度等离子体燃料粒子深度加料和稳定控制已成为未来聚变堆高参数稳定运行关键核心问题之一。 另外，堆芯燃烧等离子体高参数运行期间，会产生大量氦灰，这些氦灰堆积在芯部会严重影响等离子体性能，甚至导致大破裂。在高约束条件下，尤其是内部输运垒存在时，如何在兼容高约束运行的同时排除燃烧等离子体芯部的氦灰也是未来聚变堆稳态燃烧的关键核心问题之一。 3、等离子体与壁相互作用问题 聚变堆高参数运行期间，流入刮削层的来自芯部的高热负荷（尤其是边缘局域模爆发时），会对偏滤器面向等离子体材料造成严重破坏，堆芯高参数运行期间的偏滤器高热负载问题已成为聚变堆安全稳定运行最具挑战性的问题之一。此外聚变堆运行期间会释放大量中子、可能逃逸部分高能粒子，这些将对第一壁材料和结构的稳定性造成巨大挑战。 堆芯高参数等离子体强烈作用于第一壁，会在等离子体边缘产生大量杂质，这些杂质（尤其是高Z杂质）可通过输运进入芯部等离子体，稀释主等离子体浓度，并产生大量辐射，使得主等离子体聚变效率和约束性能显著下降，如何降低壁杂质回流对芯部主等离子体的影响已成为维持聚变堆稳态燃烧的关键核心问题之一。 4、燃烧等离子体物理理解 堆芯等离子体高能量粒子（特别是α粒子）的输运和损失直接关系到核聚变反应的发生率和可持续性。实现可观的氘氚聚变反应，需要等离子体离子温度达到1亿度以上，聚变核心综合参数“三乘积”达到1021量级，国际聚变界对这种极端条件下燃烧等离子体物理的理解依旧非常不足。截至目前，国际上的聚变实验装置开展过氘氚聚变实验的仅有美国的TFTR和欧洲的JET，且实验数据库样本较少，尚未系统开展燃烧等离子体下本底粒子行为和高能离子行为的研究。探索燃烧等离子体下本底粒子输运以及同位素效应等，理解α粒子输运与损失机理，发展可靠的高能量粒子损失控制手段，是未来聚变堆所必须面临和解决的关键性科学和技术问题。 5、大尺度磁流体不稳定性控制问题 边缘局域模控制：堆芯等离子体高约束运行期间，可能产生大尺度边缘局域模，其会对偏滤器造成严重损坏，同时导致芯部约束性能瞬间下降，严重影响芯部等离子体稳定运行，而小尺度边缘局域模则有利于芯部杂质排出。如何控制大尺度边缘局域模产生，维持兼容芯部高参数运行的小尺度边缘模，已成为聚变堆稳定运行的关键核心问题之一。 高拉长比等离子体垂直不稳定性控制：堆芯等离子体高参数运行需要依托高拉长比，而高拉长比则伴随着强烈的垂直不稳定性，其会引发垂直位移事件VDEs导致大破裂，从而对聚变堆内部件造成极其严重的损坏。如何有效控制高拉长比等离子体垂直不稳定性是保证未来聚变堆安全稳定运行的最为重要问题之一。 高比压撕裂模和电阻壁模控制：聚变堆高比压运行条件下，等离子体压强会驱动（新经典）撕裂模、电阻壁模等宏观磁流体不稳定性，最终导致等离子体放电大破裂。为保证聚变堆经济效益，在高比压、高参数运行条件下，使用哪些控制手段，如何抑制撕裂模、电阻壁模等宏观不稳定性是未来聚变堆稳定运行必须解决的关键问题。 6、破裂安全防护问题 聚变堆大电流高参数等离子体一次意外所致的大破裂将伴随巨大的热负载、电磁负载和逃逸电子，其可对装置造成致命损坏，如何对预测大破裂发生，在大破裂不可避免时对破裂负荷进行有效缓解，保障装置运行安全，是聚变堆大电流高参数运行所必须考虑的重大问题。 为获得足够高的聚变功率，并保证自持燃烧所需的氚增殖率，未来聚变堆需要将其芯部等离子体温度、密度和能量约束时间提升足够高，聚变核心综合参数“三乘积”达到1021量级，以实现稳态自持的燃烧。在此苛刻条件下，堆芯等离子体稳定运行将面临严峻挑战，如电流驱动、深度加料与排灰、强烈等离子体与壁相互作用下的等离子体控制、燃烧等离子体物理理解、大尺度磁流体不稳定性控制以及破裂安全防护等。 为获得足够大的聚变功率，并保证自持燃烧所需的足够高的氚增殖率，未来聚变堆运行需要将其芯部等离子体密度、温度和约束性能提升足够高，聚变核心综合参数“三乘积”达到1021量级，以实现稳态燃烧。在此苛刻条件下，堆芯高性能燃烧等离子体运行将面临如下挑战。 1、电流驱动问题： 如何在大电流、高密度条件下获得足够的离轴驱动电流来维持等离子体高约束运行，避开大尺度磁流体不稳定性,实现完全非感应得稳态运行已成为未来聚变堆稳态燃烧的关键核心问题。大电流高密度下的电流驱动问题可分解为两个子问题：外部电流驱动和自举电流。对于外部非感应驱动电流：一方面，外部射频波将难以深入沉积到等离子体内部从而无法获得理想的加热和电流驱动效果。中性束加热则要求更高的束能量（或高达几十万电子伏），且由于中性束注入沉积剖面较宽，单独依靠现有的中性束注入技术难以获得离轴峰化的电流驱动剖面；另一方面，随着堆芯等离子体提升，离轴驱动出目标磁剪切剖面所需非感应驱动电流更大，同时随着密度提升，外部电流驱动电流份额又会显著下降。对于驱动聚变堆目标磁剪切和自持的另一个关键参数—自举电流：大等离子体电流使得其份额显著下降，而提升密度则有助于其份额提升。注意到，提升等离子体约束性能可显著提升自举电流。如何在堆芯大电流、高密度等离子体运行条件下发展效率更高、具有技术颠覆性的外部非感应电流驱动手段获得更为理想的外部电流份额和沉积剖面，如何提升等离子体约束性能进而大幅提升自举电流份额，是聚变堆燃烧等离子体下实现电流驱动所亟待解决的两大问题。 2、加料与排灰问题： 在燃烧等离子体高密度条件下，传统加料方式难以深入等离子体内部，从而使得芯部等离子体燃烧效率显著降低。弹丸加料虽可进行深度加料，但其会导致密度剧烈波动，严重影响等离子体稳定运行。高密度等离子体燃料粒子深度加料和稳定控制已成为未来聚变堆高参数稳定运行关键核心问题之一。 另外，堆芯燃烧等离子体高参数运行期间，会产生大量氦灰，这些氦灰堆积在芯部会严重影响等离子体性能，甚至导致大破裂。在高约束条件下，尤其是内部输运垒存在时，如何在兼容高约束运行的同时排除燃烧等离子体芯部的氦灰也是未来聚变堆稳态燃烧的关键核心问题之一。 3、等离子体与壁相互作用问题 聚变堆高参数运行期间，流入刮削层的来自芯部的高热负荷（尤其是边缘局域模爆发时），会对偏滤器面向等离子体材料造成严重破坏，堆芯高参数运行期间的偏滤器高热负载问题已成为聚变堆安全稳定运行最具挑战性的问题之一。此外聚变堆运行期间会释放大量中子、可能逃逸部分高能粒子，这些将对第一壁材料和结构的稳定性造成巨大挑战。 堆芯高参数等离子体强烈作用于第一壁，会在等离子体边缘产生大量杂质，这些杂质（尤其是高Z杂质）可通过输运进入芯部等离子体，稀释主等离子体浓度，并产生大量辐射，使得主等离子体聚变效率和约束性能显著下降，如何降低壁杂质回流对芯部主等离子体的影响已成为维持聚变堆稳态燃烧的关键核心问题之一。 4、燃烧等离子体物理理解 堆芯等离子体高能量粒子（特别是α粒子）的输运和损失直接关系到核聚变反应的发生率和可持续性。实现可观的氘氚聚变反应，需要等离子体离子温度达到1亿度以上，聚变核心综合参数“三乘积”达到1021量级，国际聚变界对这种极端条件下燃烧等离子体物理的理解依旧非常不足。截至目前，国际上的聚变实验装置开展过氘氚聚变实验的仅有美国的TFTR和欧洲的JET，且实验数据库样本较少，尚未系统开展燃烧等离子体下本底粒子行为和高能离子行为的研究。探索燃烧等离子体下本底粒子输运以及同位素效应等，理解α粒子输运与损失机理，发展可靠的高能量粒子损失控制手段，是未来聚变堆所必须面临和解决的关键性科学和技术问题。 5、大尺度磁流体不稳定性控制问题 边缘局域模控制：堆芯等离子体高约束运行期间，可能产生大尺度边缘局域模，其会对偏滤器造成严重损坏，同时导致芯部约束性能瞬间下降，严重影响芯部等离子体稳定运行，而小尺度边缘局域模则有利于芯部杂质排出。如何控制大尺度边缘局域模产生，维持兼容芯部高参数运行的小尺度边缘模，已成为聚变堆稳定运行的关键核心问题之一。 高拉长比等离子体垂直不稳定性控制：堆芯等离子体高参数运行需要依托高拉长比，而高拉长比则伴随着强烈的垂直不稳定性，其会引发垂直位移事件VDEs导致大破裂，从而对聚变堆内部件造成极其严重的损坏。如何有效控制高拉长比等离子体垂直不稳定性是保证未来聚变堆安全稳定运行的最为重要问题之一。 高比压撕裂模和电阻壁模控制：聚变堆高比压运行条件下，等离子体压强会驱动（新经典）撕裂模、电阻壁模等宏观磁流体不稳定性，最终导致等离子体放电大破裂。为保证聚变堆经济效益，在高比压、高参数运行条件下，使用哪些控制手段，如何抑制撕裂模、电阻壁模等宏观不稳定性是未来聚变堆稳定运行必须解决的关键问题。 6、破裂安全防护问题 聚变堆大电流高参数等离子体一次意外所致的大破裂将伴随巨大的热负载、电磁负载和逃逸电子，其可对装置造成致命损坏，如何对预测大破裂发生，在大破裂不可避免时对破裂负荷进行有效缓解，保障装置运行安全，是聚变堆大电流高参数运行所必须考虑的重大问题。

推荐机构： 中国能源研究会

2023年度