聚变能源的光辉历程：60年的突破与未来展望

在探索清洁能源的征途上，核聚变技术一直被视为人类能源未来的希望之光。最近，国际热核聚变实验堆（ITER）组织发布了一份名为《60 Years of Progress》的文章，它不仅回顾了聚变能源研究在过去一个甲子的辉煌历程，也展望了这一领域未来的发展前景。这份报告的发布，恰逢全球能源转型的关键时期，为我们提供了一个深入了解聚变能源研究进展的窗口。

在过去60年中，聚变研究已经将关键的聚变等离子体性能参数提高了10,000倍；现在研究距离产生聚变电厂所需的性能还不到10倍的差距。

世界上第一台托卡马克装置：莫斯科库尔恰托夫研究所的俄罗斯 T1 托卡马克。体积为 0.4 立方米的等离子体在其铜真空容器中生产。

在 1930 年代的第一次聚变实验之后，几乎每个工业化国家都建立了聚变物理实验室。到 1950 年代中期，“聚变机”已在苏联、英国、美国、法国、德国和日本运行。通过在这些机器上的实验，科学家们对聚变过程的理解逐渐加深。

第一批小型设备（1950 年代至 1970 年代）是没有复杂控制系统和技术的基本设备，但它们证明了可以产生高温等离子体并且能量可以受到限制。在这些最初的实验中发现了新的等离子体现象，例如异常传输、不稳定和中断。缩放定律表明，在具有较高磁场的较大器件中，能量限制可能会增加。

1968 年，苏联取得了重大突破。那里的研究人员能够达到以前从未达到的温度水平和等离子体限制时间——这是实现聚变的两个主要标准。苏联机器是一种称为托卡马克的甜甜圈形磁性约束装置。

从那时起，托卡马克构型成为聚变研究的主导概念，托卡马克装置在全球范围内成倍增加。

在他们对 JET 的最后一次活动（现已结束）中，欧洲研究人员创造了在单个脉冲中释放 69.26 兆焦耳热量的聚变能记录。2023 年 12 月

世界各地的里程碑

1980 年代的中型托卡马克引入了辅助加热技术的广泛使用。增加偏滤器表明限制性得到改善;还介绍了墙壁调节技术。ASDEX Tokamak 于 1982 年首次实现高密闭模式。新一代大型托卡马克——JET（欧洲）、JT-60（日本）、TFTR（美国）、T-15（苏联）——被建造用于在尽可能接近聚变反应堆的条件下研究等离子体，并根据聚变科学的进步定期升级。引入了超导线圈、氘-氚操作和远程处理等新功能。1991 年，JET 实现了世界上第一个聚变能的受控释放。

此后，世界各地的聚变装置取得了稳步进展。法国的 Tore Supra 托卡马克保持着所有托卡马克中最长的等离子体持续时间记录：6 分 30 秒。日本 JT-60 实现了迄今为止任何设备中最高的聚变三乘积值——密度、温度、约束时间。美国的聚变装置温度已达到数亿摄氏度。直至2000 年代，中国 （EAST） 和韩国 （KSTAR） 的新设施上线。

自 2000 年代以来，ITER 成员的托卡马克计划重新调整了他们的科学计划或修改了他们的技术特性，以部分或全部支持 ITER 的运行。这些机器正在对等离子体操作的先进模式、等离子体-壁相互作用、材料测试和最佳电源提取方法进行研发，为ITER的成功和下一阶段设备的设计做出贡献。（在我们的国际托卡马克研究部分找到这些设备和实验室。）

JT-60SA 是欧洲和日本之间的合作项目，是目前世界上最大的运营托卡马克。©F4E

展望未来

今天，磁约束聚变科学正处于一个令人兴奋的阈值的风口浪尖：人们长期以来备受追捧的等离子体能量盈均点 （Q=1），它描述了聚变装置中的等离子体释放的能量至少与加热它们所需的能量一样多的时刻。JET 成功地为 24 MW 的加热功率（Q 比为 0.67）产生了 16 MW 的聚变能，而 ITER 的设计是通过等离子体能量盈亏平衡，并为加热系统消耗的 50 MW 产生 500 MW 的聚变能 （Q≥10）。

对替代概念的研究也在取得进展，例如仿星器（一种不同的磁约束配置）和惯性约束（激光聚变）。2022 年底，加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室国家点火设施的研究人员实现了 Q=1.5，比之前的试探有了显着改善。然而，在设计商业能源工厂的道路上仍然存在许多挑战，因为通常认为该工程设计比磁约束聚变更具挑战性。

另值得注意的是：近年来，私人融合领域的公司和投资都急剧增加。这种新发现的私人对聚变的兴趣归因于多种因素，包括努力开发使能材料和新方法，这些材料和新方法可以使聚变装置在较小规模或具有不同设计时更加逼真;ITER 在设计、制造、交付和组装组件方面铺就的道路;世界各地公共实验室测试中心的最新成功;以及全球寻找清洁能源替代来源的紧迫感。

原文链接：

• https://www./fusion-energy/60-years-progress