譚熠：基于緊湊托卡馬克的往復(fù)式聚變堆技術(shù)及其進(jìn)展

清華大學(xué)工程物理系副教授、星環(huán)聚能首席科學(xué)家 譚熠：聚變能具有無限清潔、安全、廉價等優(yōu)點，聚變能是有強烈的理想色彩，同時又有巨大的現(xiàn)實利益的一件事情，它可以讓大家成為星際文明，也會帶來15萬億美元能源市場的巨大想象空間。從理想主義來看，聚變能帶來的想象空間更加充滿未來感。如果有廉價的聚變能，我們可以把種植業(yè)轉(zhuǎn)化為制造業(yè)，我們不用去種田，可以在工廠里生產(chǎn)糧食，耕地可以用來給大家改善居住條件。如果有廉價的聚變能，我們可以把雅魯藏布江的水抽到青藏高原，大規(guī)模地修復(fù)環(huán)境，還可以徹底解決我們的能源安全，因為如果我們真能做到分布全國的聚變電站，就再也不用擔(dān)心馬六甲海峽的問題。此外，聚變可以讓火箭的比沖提升幾百倍，火箭可以更加快速地抵達(dá)火星甚至抵達(dá)太陽系以外，成為真正的星際文明的基礎(chǔ)。

無限、清潔、安全而且廉價的聚變能帶來的不止更便宜的電力，可以讓大家把很多問題的解決思路都徹底顛覆。如此美好的聚變能在科學(xué)上已經(jīng)充分證實了它的可行性。從1990年代起，在JET和TFTR等托卡馬克上多次產(chǎn)生相當(dāng)于數(shù)十度電的聚變能，2021年美國NIF(國家點火裝置)在激光聚變裝置上多次產(chǎn)生相當(dāng)于一度電的聚光能。聚變能的優(yōu)勢大家非常清楚，聚變能的科學(xué)可行性也是完全得到證實的，接下來的重要問題就是我們到底怎么實現(xiàn)聚變能。聚變能的探索人類已經(jīng)持續(xù)了70多年，發(fā)展出來很多的技術(shù)路線。托卡馬克應(yīng)該說是目前研究最廣泛、技術(shù)最領(lǐng)先的磁約束聚變能開發(fā)路線，被研究院所、企業(yè)廣泛采用。

托卡馬克發(fā)展到現(xiàn)在，從1950年代被蘇聯(lián)人發(fā)明，到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展出了三個分支。如果考慮聚變功率，要么把尺寸做大，要么把磁場提高，要么把磁場利用效率提高。有些方案走的是巨型托卡馬克路線，把尺寸盡可能增加，這樣技術(shù)比較穩(wěn)妥，沒有太大的風(fēng)險，問題就是它的制造周期會比較長，投入的資金量驚人，可能達(dá)到千億級。為了降低投入成本，很多人希望把尺寸降下去，把磁場提高也是一個辦法，就把它命名為強場托卡馬克，這樣我們可以把尺寸控制住，但是聚變功率仍然是可觀的。還有一個路線是將磁場利用效率提上去，尺寸可以控制得很小，磁場也不需要太高，球型托卡馬克也是很多機構(gòu)、公司使用的。

托卡馬克還有一些其他的問題需要解決，比如托卡馬克非常依靠兆安培級別的等離子體電流完成等離子體約束，長時間維持這么一個巨大的電流，成本是非常高的，不管是建造成本還是運行成本和維護成本，對于未來的聚變電力競爭都不是一件好事。為了解決這些問題，清華大學(xué)工程物理系就是我們團隊和星環(huán)聚能公司正在探索一種基于緊湊托卡馬克的往復(fù)式聚變堆，球型托卡馬克的方案，使得整個等離子磁場的利用效率得到大幅度提升。等離子的空間占比也在聚變體里有比較高的利用效率。另外我們利用了高溫超導(dǎo)磁體，希望把磁場提高，把磁體做得更加緊湊，把整個聚變堆的運行模式改成內(nèi)燃機那樣的往復(fù)式運行模式，相當(dāng)于不用等離子體長時間持續(xù)維持，解決了很多電流驅(qū)動的麻煩。另外我們把加熱方式也改成磁重聯(lián)加熱方式，加熱的結(jié)構(gòu)非常緊湊，效率還非常高。我們做了這樣一個技術(shù)路線以后，最大的優(yōu)勢是整個聚變堆周圍會變得非常干凈，不需要那么多輔助加熱設(shè)備，整個堆的建造成本、運行成本、維護成本都會大幅降低。

基于這樣的技術(shù)路線，星環(huán)聚能公司和清華大學(xué)有自己的一套聚變能開發(fā)路線圖，到目前為止走完了第一步，非常早期的探索階段?，F(xiàn)在基本走完了第二步，初步的工程驗證。目前進(jìn)展在第二步和第三步之間。第三步我們會把整個路線最終工程驗證完成，然后開始建造示范堆以及未來的量產(chǎn)聚變電站。接下來我把這條技術(shù)路線最新的研發(fā)進(jìn)展跟大家做一下匯報。

整個研發(fā)進(jìn)展是基于初步工程驗證裝置SUNIST—2的建設(shè)和運行開展的。SUNIST—2的設(shè)計和建設(shè)進(jìn)程：首先在2019年之前開展了物理設(shè)計，2019年國家自然科學(xué)基金重大科研儀器研制項目啟動，2020年啟動了工程設(shè)計，2020年底與等離子所簽署了第一筆加工合同，開啟了整個裝置的零部件加工和試裝。2022年清華大學(xué)與星環(huán)聚能開展了成果轉(zhuǎn)化的合作，在星環(huán)聚能的基地開始組裝這臺試驗裝置，在2023年通過了調(diào)試和運行。從場地開工到建成裝置只用了279天，速度很快。從一片空地開始建設(shè)場地，再建造裝置。我們同步把磁體電源開發(fā)出來了，同時建設(shè)了等離子診斷和壁處理設(shè)備，從磁、太赫茲到可見光到湯姆遜散射等等，也都在同期建設(shè)完成。2023年上半年開始了第一等離子體的運行，初期經(jīng)過一天的調(diào)試，第二天獲得了第一等離子體，這也是非?？斓乃俣攘?。第一次運行達(dá)到100千安的等離子體電流，然后馬不停蹄地開始裝置的進(jìn)一步升級改造。第二輪運行期間成功獲得了往復(fù)式的運行方式，我們是在上下兩端產(chǎn)生等離子體，把它向中間推，向中間運動的過程中，等離子環(huán)會發(fā)生磁場重聯(lián)，中間這個星部變黑了，等離子體看不見表示它的溫度非常高，得到了顯著的加熱，這個時候輻射在可見光之外，人眼已經(jīng)感受不到了。

我們繼續(xù)把裝置做了升級改造，把石墨壁加上去，診斷也升級，結(jié)構(gòu)加固。第三輪運行進(jìn)一步將性能做了提升，等離子電流是原來的兩倍，磁場達(dá)到0.8特斯拉，重復(fù)運行，各項溫度也都能夠測得到。

第四輪運行現(xiàn)在還在繼續(xù)，基本上把我們的控制能力達(dá)到了非常高的狀態(tài)。這是我們設(shè)計的等離子放電波的形態(tài)，中間是實際試驗得到的等離子形態(tài)，兩個相比幾乎一模一樣，我們把試驗結(jié)果通過我們的反演做了反推，這三者是相當(dāng)吻合的，表示我們的控制能力、等離子體性能都達(dá)到了相當(dāng)高的水平。

這就是整個技術(shù)路線的進(jìn)展。