環(huán)形托卡馬克磁約束裝置歷史研究基礎(chǔ)好，是國內(nèi)工程化首選路線。1）在諸多技術(shù)路線中，托卡馬克裝置是目前最接近勞森判據(jù)的磁約束裝置；2）通過參與ITER裝置國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈積累大量工程化人才和經(jīng)驗(yàn)；3）超導(dǎo)技術(shù)助力托卡馬克裝置實(shí)現(xiàn)小型化；4）以磁重聯(lián)技術(shù)為代表的新型輔助加熱技術(shù)降低了傳統(tǒng)加熱技術(shù)的高昂成本。目前國內(nèi)包括聚變新能、能量奇點(diǎn)、星環(huán)聚能等均采用托卡馬克裝置作為工程化路線。

場反位形裝置是實(shí)現(xiàn)可控核聚變經(jīng)濟(jì)性發(fā)電的有力競爭方案。1）場反位形裝置具有高β值特點(diǎn)，達(dá)到勞森判據(jù)所需難度較低；2）以磁重聯(lián)、磁壓縮為主的加熱方案兼具高效率與低成本，并已實(shí)現(xiàn)1億度的等離子體加熱門檻；3）國外企業(yè)（如Helion）針對場反位形裝置特點(diǎn)提出了磁流體發(fā)電的能量傳輸模式，理論能量效率顯著提升。我們認(rèn)為約束難度低、建設(shè)成本低的場反位形裝置具備較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

慣性約束技術(shù)路線與商用發(fā)電目標(biāo)相距較遠(yuǎn)。慣性約束能量增益因子較低，短期內(nèi)難以達(dá)到商業(yè)發(fā)電的能量效率要求，因此其經(jīng)濟(jì)性上限低制約了在民用發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。磁慣性約束模式創(chuàng)新性強(qiáng)，商用化潛力有待驗(yàn)證。該技術(shù)結(jié)合兩大技術(shù)特點(diǎn)，提升了技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，但多數(shù)裝置仍處于設(shè)計(jì)或?qū)嶒?yàn)初期，有待更深入的技術(shù)研究。

以托卡馬克和場反位形為代表的磁約束技術(shù)預(yù)測發(fā)電成本較低，且有望實(shí)現(xiàn)突破。歷史上文獻(xiàn)基于托卡馬克技術(shù)給出的度電成本保守預(yù)測約為5-9美分/ kWh，我們認(rèn)為隨著相關(guān)技術(shù)成本的下降以及高溫超導(dǎo)技術(shù)的進(jìn)步，成本有望持續(xù)下降；直線型裝置具有突出的經(jīng)濟(jì)性潛力，Helion給出低至1美分/ kWh的長期成本目標(biāo)，遠(yuǎn)低于目前各類發(fā)電技術(shù)；慣性約束發(fā)電成本相對較高，文獻(xiàn)預(yù)測約為10美分/ kWh 左右[1]。

聚變項(xiàng)目融資進(jìn)展不達(dá)預(yù)期，聚變工程化進(jìn)展不達(dá)預(yù)期，聚變技術(shù)路線變化。

可控核聚變正步入“百花齊放”的發(fā)展階段。自上世紀(jì)50年代可控核聚變概念成為全球議題起，誕生并演化出了多種技術(shù)路線，按照對等離子體的約束原理不同，可分為磁約束、慣性約束與磁慣性約束三類：磁約束裝置的研究數(shù)量最多，也被市場認(rèn)為是最接近實(shí)現(xiàn)商用發(fā)電的技術(shù)路線；慣性約束裝置已成功實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，但能量增益因子距離發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)相差較遠(yuǎn)；磁慣性約束裝置結(jié)合了以上兩類技術(shù)路線的優(yōu)點(diǎn)，具備高經(jīng)濟(jì)性以及設(shè)備小型化特點(diǎn)。進(jìn)入21世紀(jì)以來，可控核聚變進(jìn)入了以托卡馬克為主流，多種技術(shù)路線迅猛發(fā)展的發(fā)展階段，包括超導(dǎo)技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等新技術(shù)的誕生有效助力了聚變研究進(jìn)步?？紤]當(dāng)前聚變技術(shù)多路徑并進(jìn)的現(xiàn)狀，我們本篇報告致力于對各技術(shù)路線特點(diǎn)及優(yōu)劣勢進(jìn)行系統(tǒng)梳理，并就發(fā)展?jié)摿o出我們的初步判斷。

早期核聚變裝置以磁約束為主要裝置設(shè)計(jì)原理，并衍生出了托卡馬克、仿星器、箍縮和磁鏡四大基本概念。目前，可將磁約束核聚變裝置分為環(huán)形裝置與線形裝置兩類，分別對應(yīng)著閉合磁場與開放磁場的不同位型。環(huán)形裝置包括經(jīng)典的托卡馬克裝置、仿星器以及兩類新型裝置球形環(huán)與反場箍縮；線形裝置則在傳統(tǒng)的磁鏡裝置基礎(chǔ)上衍生出了串列磁鏡與場反位形兩類新型裝置。過去60余年間磁約束核聚變的主流技術(shù)路線得到了充分的改進(jìn)與理論創(chuàng)新，其中托卡馬克裝置是目前研發(fā)最深入的技術(shù)路線。

托卡馬克研究歷史悠久，積累案例豐富

托卡馬克裝置是目前所有技術(shù)路線中研發(fā)投入最多，也是在客觀參數(shù)上最接近勞森判據(jù)的技術(shù)路線。在托卡馬克裝置中，磁場線圈依靠脈沖電流在真空室中生成等離子體環(huán)，環(huán)向線圈與極向線圈發(fā)揮對等離子體的主要約束與控制作用。磁場線圈與真空室、偏濾器是托卡馬克裝置主機(jī)的核心部件。

自上世紀(jì)50年代誕生以來，托卡馬克裝置在裝置形狀、磁場性能、加熱性能與裝置部件等領(lǐng)域進(jìn)行了不斷的迭代升級。托卡馬克裝置首先起源于前蘇聯(lián)的T-1裝置，隨后美國、歐盟與日本也開展了研究工作，中國、韓國與印度等國家也逐步入場。在此過程中，以國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）建造為中心，各參與國在承擔(dān)ITER部件制造及研究過程中，也建立了各具特色的聚變技術(shù)發(fā)展路線。

托卡馬克裝置的發(fā)展經(jīng)歷了由小至大的早期歷程。在研究初期，為了實(shí)現(xiàn)對等離子體性能參數(shù)的提升、對等離子體物理的深入研究以及本質(zhì)上對聚變輸出功率的追求，設(shè)計(jì)者不斷提升裝置尺寸，由最初的不足1 m3達(dá)到了接近100 m3（JET），并以接近900 m3的ITER裝置為核心目標(biāo)。隨著裝置尺寸的提升，早期等離子體約束的參數(shù)實(shí)現(xiàn)不斷提升，1982年，ASDEX裝置首次實(shí)現(xiàn)了“H?！边\(yùn)行[2]，開辟了高參數(shù)運(yùn)行的研究路徑。

超導(dǎo)技術(shù)的成熟與應(yīng)用通過提升磁場性能推動了托卡馬克裝置的小型化。盡管大型托卡馬克裝置具有高磁場性能與加熱功率，但過長的建設(shè)周期與過高的建設(shè)成本很大程度上阻礙了技術(shù)的快速迭代進(jìn)步。小型化的托卡馬克的出現(xiàn)與進(jìn)步加快了包括磁場位型、等離子體控制、偏濾器設(shè)計(jì)等多種技術(shù)的研究速度，建設(shè)成本的降低也使得私人企業(yè)的入場成為可能。除此之外，裝置截面也由初期的圓形向目前主流的類非圓形逐漸轉(zhuǎn)變。

磁場線圈系統(tǒng)是托卡馬克裝置實(shí)現(xiàn)等離子體約束的核心部件。環(huán)向場線圈提供環(huán)形磁場，等離子體在此作用下進(jìn)行環(huán)向螺旋運(yùn)動；中心螺線管發(fā)揮“變壓器”的作用，通過脈沖式運(yùn)行方式激發(fā)等離子體，并依靠電流的磁效應(yīng)產(chǎn)生極向磁場，從而限制等離子向外擴(kuò)散的運(yùn)動；極向場線圈為環(huán)形等離子體提供環(huán)向控制的磁力，以抵消高溫與磁壓力對等離子體的作用。

加熱系統(tǒng)是對托卡馬克技術(shù)路線進(jìn)行分類的關(guān)鍵依據(jù)

托卡馬克的加熱模式包括傳統(tǒng)的“歐姆加熱+輔助加熱”模式與新型磁重聯(lián)技術(shù)。傳統(tǒng)模式中，中心螺線管首先利用等離子體的電阻進(jìn)行歐姆加熱，這一加熱方式溫度上限約為1 keV，后續(xù)則需要輔助加熱系統(tǒng)提供能量，包括中性束注入（NBI）與射頻波加熱（RF）兩類，前者效率更高且應(yīng)用較廣，但設(shè)備成本高昂。磁重聯(lián)是新型加熱模式的代表技術(shù)，具有低成本及設(shè)備小型化的特點(diǎn)。

托卡馬克發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性有望提升

早期研究估計(jì)大型托卡馬克裝置（2000 MW左右）的度電成本最低約為5美分左右。根據(jù)ARIES系列研究的早期預(yù)測，應(yīng)用低溫超導(dǎo)技術(shù)的托卡馬克發(fā)電成本約為8-10美分/ kWh，但高溫超導(dǎo)技術(shù)顯著降低了托卡馬克發(fā)電的成本，預(yù)測成本突破了5美分/ kWh。隨著高溫超導(dǎo)技術(shù)的成熟以及相應(yīng)的線材生產(chǎn)能力的提升，托卡馬克建設(shè)及運(yùn)行成本可實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步下降。

另一方面，我們認(rèn)為研究給出的成本預(yù)測結(jié)果整體較高，托卡馬克發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性有望隨著技術(shù)進(jìn)步不斷提升。一方面，對托卡馬克裝置的成本研究結(jié)果呈現(xiàn)出“預(yù)測成本隨時間逐步下降”的趨勢，這既是由于對托卡馬克裝置的研究不斷深入，研究對成本預(yù)測有了更準(zhǔn)確的估計(jì)，同時也是因?yàn)榘ú牧?、算力與工程建設(shè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，建設(shè)成本也會不斷降低；另一方面，包括磁重聯(lián)加熱技術(shù)、高溫超導(dǎo)技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)在內(nèi)的創(chuàng)新技術(shù)的成熟與應(yīng)用，也會在下階段推動托卡馬克發(fā)電經(jīng)濟(jì)性不斷提升。

仿星器是最早提出的磁約束技術(shù)路線之一，也是目前可實(shí)現(xiàn)等離子體穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的環(huán)形裝置。仿星器的核心特點(diǎn)在于約束等離子體無需依靠等離子體電流產(chǎn)生極向磁場，而是完全通過精細(xì)的外部線圈產(chǎn)生，故從原理上避免了托卡馬克由于等離子體電流的復(fù)雜性所導(dǎo)致的失控問題，如電流中止、等離子體大破裂等。

仿星器的核心優(yōu)勢是出色的安全性與可控性。但早期的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，僅靠外加磁場不足以實(shí)現(xiàn)對帶電粒子的良好約束與捕獲，帶電粒子的偏移強(qiáng)度（以新經(jīng)典輸運(yùn)為主）超過托卡馬克裝置達(dá)到兩個數(shù)量級，加之裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的高難度，仿星器在上世紀(jì)60年代后陷入了研究低潮。但隨著計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步，以及托卡馬克裝置高等離子體電流導(dǎo)致的約束問題，對仿星器的研究在上世紀(jì)末重新興起，并提出了多種優(yōu)化模式，開啟了“先進(jìn)仿星器”的研究序列。

區(qū)別于托卡馬克裝置的簡單結(jié)構(gòu)，復(fù)雜性與設(shè)計(jì)多樣性是仿星器線圈的核心特點(diǎn)之一。自仿星器誕生以來，產(chǎn)生了多種線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，如“8”字形仿星器、跑道形仿星器、扭曲器、螺旋器、螺旋軸仿星器以及先進(jìn)仿星器，后三類是目前的主流裝置類型。一方面，技術(shù)的多樣性可以提供多角度的研究成果；但在另一方面，仿星器本身線圈設(shè)計(jì)的難度使得建設(shè)周期相對較長，因此早期設(shè)計(jì)建設(shè)的非先進(jìn)仿星器只能作為科研裝置而非面向發(fā)電的裝置；同時目前的先進(jìn)仿星器數(shù)量較少，多數(shù)仍處于概念階段，需要一定積累以進(jìn)入技術(shù)快速迭代期。

直線型磁約束裝置具有約束簡單、經(jīng)濟(jì)性高的特點(diǎn)，主要包括磁鏡與場反位形兩大類。托卡馬克與仿星器對等離子體約束要求極為嚴(yán)格，且在運(yùn)行過程中可能存在的擾動因素較多，保持穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)電的工況難度較高。而直線型裝置將等離子體的主要控制過程簡化為近似一維的條件，因而裝置制造與運(yùn)行控制難度較低，是實(shí)現(xiàn)快速升級的潛在路線。

早期磁鏡裝置：因低能量增益而陷入低潮

磁鏡裝置是最早提出的直線型裝置，來源于“磁鏡效應(yīng)”。在“兩端強(qiáng)，中間弱”的“磁鏡”類直線磁場結(jié)構(gòu)中，運(yùn)動狀態(tài)中的帶電粒子在接觸到兩端高密度的磁場時會受到指向中部較弱磁場方向的力而被反彈，通過對帶電粒子的持續(xù)反彈將其約束在兩端磁鏡中的“瓶”狀結(jié)構(gòu)中。由于這一結(jié)構(gòu)對帶電粒子的反彈過程與光線在鏡子上的反射類似，因此被稱為“磁鏡”。

傳統(tǒng)的簡單磁鏡裝置具有顯著的等離子體不穩(wěn)定性問題，如磁流體不穩(wěn)定性（MHD）與高頻微觀不穩(wěn)定性問題，初期的研究者通過優(yōu)化磁場位型以及等離子槍注入方式實(shí)現(xiàn)抑制，如勞倫斯-利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的2XIIB裝置。但上述方式并未解決粒子逃逸導(dǎo)致的低能量增益問題。

軸對稱串列磁鏡煥發(fā)技術(shù)新春，等離子體參數(shù)有待提升

進(jìn)入21世紀(jì)，軸對稱串列磁鏡的提出解決了磁鏡不規(guī)則磁場導(dǎo)致的新經(jīng)典輸運(yùn)問題，成為目前磁鏡的主流設(shè)計(jì)路線。目前，軸對稱串列磁鏡以俄羅斯Budker實(shí)驗(yàn)室的Gas-dynamic trap（GDT）及Multi-plug trap裝置、美國威斯康星麥迪遜大學(xué)的HTS高溫超導(dǎo)裝置（WHAM）與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的KMAX裝置為代表。開放磁場賦予這類裝置較高的β值（最高可接近于1），故達(dá)到勞森判據(jù)所需的等離子體參數(shù)相對較低，因此潛在發(fā)電成本較低。但目前多數(shù)裝置仍處于設(shè)計(jì)階段，相對成熟的GDT裝置也需對高參數(shù)等離子體控制情況進(jìn)行驗(yàn)證。

磁鏡裝置的加熱方式與托卡馬克裝置基本相似，依靠NBI與RF技術(shù)實(shí)現(xiàn)。以WHAM的設(shè)計(jì)加熱方式為例，氣體氚通過電子回旋裝置電離并初步加熱注入中央單元，進(jìn)一步采用中性束注入實(shí)現(xiàn)加熱，結(jié)合外加電場與磁場作用進(jìn)行運(yùn)動。而在此之后，WHAM裝置計(jì)劃采用1MW的高頻次諧快波（HHFW）進(jìn)行二次加熱將等離子體加熱至高參數(shù)運(yùn)行階段。GDT裝置同樣計(jì)劃綜合采用多種加熱手段（ICR、NBI、ECR等）對等離子體進(jìn)行加熱與位型控制。

盡管在經(jīng)歷了數(shù)十年的沉寂之后，磁鏡裝置重新回到可控核聚變賽道，但其與托卡馬克、仿星器裝置之間的距離相差較遠(yuǎn)。一方面，磁鏡類裝置等離子體參數(shù)仍有待提升，且多數(shù)先進(jìn)磁鏡尚處于設(shè)計(jì)階段；另一方面，磁鏡裝置數(shù)量相對較少，目前僅有尚處于一輪融資階段的Realta Fusion公司以磁鏡作為實(shí)現(xiàn)商用聚變發(fā)電的技術(shù)路線，且其首要目標(biāo)是將裝置作為工業(yè)熱源，其次才是推進(jìn)商用聚變發(fā)電。整體而言，磁鏡裝置建造成本較低，具有線形裝置固有的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢，但提升能量增益因子從而實(shí)現(xiàn)商業(yè)發(fā)電的難度目前高于其他磁約束裝置。

場反位形裝置：最接近聚變目標(biāo)的直線型裝置

場反位形是最早提出的直線型磁約束裝置之一，具有簡單的結(jié)構(gòu)與幾何形狀[3]。多數(shù)場反位形裝置等離子體控制模式基于θ箍縮方法完成，核心原理為使θ線圈內(nèi)電流的反轉(zhuǎn)形成內(nèi)外分界的磁場結(jié)構(gòu)。在場反位形裝置中，有多種產(chǎn)生相反位型磁場的基本方法（Formation），包括經(jīng)典的θ箍縮法、傳輸-捕獲法、碰撞融合法與球馬克融合法等。通過此類方法產(chǎn)生等離子體后，裝置會將等離子體注入融合區(qū)，在這一區(qū)域中，等離子體將通過碰撞融合、磁壓縮或磁重聯(lián)等過程實(shí)現(xiàn)加熱，完成核心聚變反應(yīng)。

θ箍縮法是多數(shù)場反位形裝置形成磁場及等離子體的基本方式，具有參數(shù)高、雜質(zhì)少、技術(shù)成熟等特點(diǎn)。其基本方法如圖所示：在變化相對較緩的偏置磁場中，燃料首先發(fā)生預(yù)電離形成初期等離子體；隨后θ線圈依靠電容系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電流方向的迅速反轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致等離子體外圍磁場方向發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)“場反轉(zhuǎn)”，而內(nèi)層被“凍結(jié)”在等離子體中的磁場則延續(xù)此前的方向；隨后相反的磁力線重新連接，發(fā)生磁重聯(lián)及徑向壓縮，線圈末端磁場張力的變化進(jìn)一步導(dǎo)致等離子體軸向收縮，等離子體磁通損失、溫度上升、密度上升，最終達(dá)到平衡狀態(tài)[4]。

“傳輸-捕獲”法與“碰撞融合”法依靠θ箍縮方式產(chǎn)生等離子體，并將θ箍縮區(qū)與壓縮區(qū)分離。“傳輸-捕獲”法裝置結(jié)構(gòu)兩端不對稱，從θ線圈端（左端）起始，可將結(jié)構(gòu)分為按順序分為左端磁場線圈（強(qiáng)）、右端磁場線圈（弱）、上游磁鏡線圈、壓縮室、下游磁鏡線圈。等離子體產(chǎn)生后，兩端磁場強(qiáng)度差異引導(dǎo)等離子體發(fā)生彈射傳輸，隨后在壓縮腔中被捕獲發(fā)生壓縮及加熱過程。這一過程避免了θ箍縮中強(qiáng)電壓和磁場的快速變換對裝置的限制，巧妙的“傳輸”過程與相對獨(dú)立的壓縮室則為等離子體加熱與驅(qū)動提供了更穩(wěn)定、高效的結(jié)構(gòu)。歷史上有多種場反位形裝置采取這種設(shè)計(jì)，并以利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室（LANL）的FRX系列裝置為代表。

“碰撞融合法”是另一類將θ箍縮與壓縮室分離的場反位形裝置設(shè)計(jì)思路，并利用等離子體碰撞提升加熱效率。該類裝置兩端結(jié)構(gòu)對稱，采用θ箍縮在兩端同時產(chǎn)生基本一致的等離子體，隨后將兩簇等離子體相對發(fā)射至壓縮腔中，利用磁重聯(lián)、磁壓縮等過程實(shí)現(xiàn)高效的等離子體加熱。該類技術(shù)加熱效率較高，并以Helion Energy的Trenta裝置及后續(xù)的Polaris裝置、TAE Technologies的C-2系列裝置以及后續(xù)的Copernicus裝置為代表，同時，基于裝置的高β值優(yōu)勢，場反位形裝置可以采用反應(yīng)截面小，但能量產(chǎn)率高的聚變反應(yīng)，如以氫硼聚變（p-B）為核心聚變反應(yīng)的Copernicus裝置，以D-D及D-He3為燃料的Polaris裝置。

整體而言，場反位形裝置具有線性裝置典型的高β值特征，因而具有理論上更低的可控聚變門檻，并以磁壓縮、磁重聯(lián)等技術(shù)為代表的加熱手段具有較高的經(jīng)濟(jì)性，使用磁流體發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化的效率同樣更高；另一方面，場反位形磁場結(jié)構(gòu)開放的磁場線可將脫軌粒子分離至兩側(cè)的偏濾器，降低了裝置的設(shè)計(jì)難度，并有望實(shí)現(xiàn)裝置小型化。比較而言，我們認(rèn)為場反位形裝置是有望最早實(shí)現(xiàn)可控聚變的直線型磁約束裝置。

直線型裝置具有顯著的簡潔性與經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢

依靠簡潔的直線型磁場特點(diǎn)，直線型裝置原理清晰、結(jié)構(gòu)簡單、控制難度較低。比較而言，環(huán)形裝置需要在三維坐標(biāo)中實(shí)現(xiàn)對等離子體的長脈沖精確控制；而直線型裝置通常僅需從二維甚至一維層面上進(jìn)行約束，且以場反位形為代表的部分直線型裝置采取短脈沖運(yùn)行，無疑降低了裝置設(shè)計(jì)與運(yùn)行控制層面的難度。

同時，直線型裝置具有顯著的經(jīng)濟(jì)性。由于直線型裝置在加熱方式、裝置建設(shè)以及運(yùn)行控制層面的成本都相對較低，文獻(xiàn)預(yù)測其發(fā)電成本也普遍低于托卡馬克裝置的預(yù)測發(fā)電成本：針對磁鏡聚變堆的度電成本預(yù)計(jì)低于4美分/kWh；而Helion公司基于場反位形路線與相應(yīng)的磁流體發(fā)電模式，更是將度電成本的長期目標(biāo)定在了1美分/kWh。因此，若直線型裝置在發(fā)展過程中取得技術(shù)突破，則很有希望成為成本最低的聚變發(fā)電路線。

慣性約束聚變依靠高能射線的燒蝕實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物內(nèi)爆，在極短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)燃料的高壓、高溫壓縮引發(fā)聚變。慣性約束聚變的能量源包括激光、離子束、X射線等，并以激光驅(qū)動為主。同時，慣性約束聚變還可分為直接驅(qū)動與間接驅(qū)動兩種，前者將多束高能射線以時間同步、空間均勻?qū)ΨQ的模式直接作用于靶丸引發(fā)聚變[5]；后者則首先將多數(shù)激光輸入裝有靶丸的黑腔結(jié)構(gòu)，激光的能量沉積到黑腔表面并被吸收，隨后黑腔發(fā)射X射線均勻照射于燃料靶丸，實(shí)現(xiàn)內(nèi)爆聚變。

慣性約束達(dá)到勞森判據(jù)的關(guān)鍵為燃料的高度壓縮。據(jù)估計(jì)，密度以0.225 g/cm3計(jì)的1毫克D-T燃料靶，其最終密度需超過300 g/cm3才可達(dá)到勞森判據(jù)實(shí)現(xiàn)可控聚變，壓縮比超過1500倍。

激光中心點(diǎn)火技術(shù)是慣性約束聚變的核心路線，類似于托卡馬克裝置在磁約束聚變中的重要地位。中心點(diǎn)火技術(shù)將多路激光匯聚于靶丸中心，形成熱斑后實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，其基本流程如下圖所示。激光首先作用于目標(biāo)材料，燒蝕層燃燒脫落，靶丸發(fā)生內(nèi)爆并形成向心傳輸?shù)募げ?。隨后，激光能量不斷增加，激波在D-T冰層與氣層邊界會聚，促使內(nèi)爆加速；此后，壓縮過程的動能開始向熱能轉(zhuǎn)變，向心壓縮的速度逐步減慢，進(jìn)入減速階段，靶丸的設(shè)計(jì)與調(diào)制過程會顯著影響這一階段的流體動力學(xué)穩(wěn)定性，從而決定加熱效率。最后，內(nèi)爆達(dá)到峰值，發(fā)生聚變反應(yīng)，理想狀態(tài)下，聚變過程放出的能量使剩余燃料發(fā)生燃燒，即實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)火”。

慣性約束的兩種模式各有優(yōu)劣，間接驅(qū)動模式的能量轉(zhuǎn)化效率低于直接驅(qū)動路線，但直接驅(qū)動對于激光均勻性要求更高，且尚未實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火。同時，慣性約束本質(zhì)上要求激光具有極高的能量，但產(chǎn)生激光的能量效率較低，因此慣性約束裝置的能量增益因子是實(shí)現(xiàn)商業(yè)發(fā)電的核心阻礙。另一方面，慣性約束技術(shù)成本較高，根據(jù)研究預(yù)測，其發(fā)電成本約為10美分/ kWh左右[6]。

磁慣性約束聚變?nèi)诤洗偶s束與慣性約束技術(shù)路線的特點(diǎn)，根據(jù)原理差別可分為磁化套筒與磁化靶兩類技術(shù)路線，前者主要依靠磁場產(chǎn)生內(nèi)爆動力，以Z-裝置為代表，后者則主要依靠磁場構(gòu)建“等離子體靶”，以等離子體射流磁化靶為代表（PLX）。通過結(jié)合兩大技術(shù)路線的特點(diǎn)，磁慣性約束聚變可以具備高經(jīng)濟(jì)性與設(shè)備小型化的潛在優(yōu)勢。

磁化套筒慣性聚變（MagLIF）最早由美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室于2009年提出，核心原理是依靠電流的Z-箍縮效應(yīng)驅(qū)動套筒內(nèi)爆，實(shí)現(xiàn)后續(xù)的慣性聚變點(diǎn)火過程?；具^程如圖所示，首先套筒外部的環(huán)形線圈產(chǎn)生軸向磁場，隨后利用激光對套筒中的D-T氣體與部分D-T冰進(jìn)行預(yù)加熱，在提升燃料能量的同時，產(chǎn)生被磁化的等離子體，在這一階段等離子體的預(yù)期溫度達(dá)到約200keV；最后，Z裝置在等離子體外的金屬薄套筒中產(chǎn)生巨大的脈沖電流，該電流激發(fā)的環(huán)形磁場驅(qū)動套筒內(nèi)爆，在這一過程中，第一步產(chǎn)生的軸向磁場會被凍結(jié)在等離子體中，提供聚變過程所需的磁場。

我國對Z箍縮驅(qū)動聚變混合堆進(jìn)行的大量的研究，中國工程物理研究院在本世紀(jì)初期便開始了基于Z箍縮的混合堆研究，并于2008年提出了“Z箍縮驅(qū)動聚變－裂變混合堆”概念，開始進(jìn)行關(guān)于Z-FFR裝置的設(shè)計(jì)工作。該裝置同樣計(jì)劃采用壓水堆技術(shù)，使U-238在轉(zhuǎn)化得到Pu-239后發(fā)生進(jìn)一步的裂變反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)能量放大與中子倍增[7]。

顧名思義，磁化靶技術(shù)依靠磁場對燃料等離子體進(jìn)行約束，并以慣性壓縮方式實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火。等離子體射流磁化靶是最具代表性的技術(shù)路線，主要依托美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室（LANL）的等離子體線性實(shí)驗(yàn)裝置（PLX）進(jìn)行主要研究工作，該技術(shù)通過等離子體槍噴射多束等離子體，匯聚形成一定尺寸的內(nèi)爆層并進(jìn)一步壓縮處于磁化狀態(tài)的等離子體靶，實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)。除此之外，加拿大General Fusion企業(yè)開創(chuàng)的液態(tài)金屬壓縮技術(shù)也是一類磁化靶聚變模式，設(shè)計(jì)思路十分獨(dú)特。

[1]《Environmental and economic assessments of magnetic and inertial fusion energy reactors》（Yamazaki，2011）

[2]Regime of Improved Confinement and High Beta in Neutral-Beam-Heated Divertor Discharges of the ASDEX Tokamak, Wagner, 1982.

[3]場反位形等離子體θ箍縮形成區(qū)磁探針診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與搭建，趙揚(yáng)明，2022

[4]HFRC場反位形等離子體裝置準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，劉京，2021

[5]激光慣性約束聚變壓縮過程中激波相互作用的研究，王紹君，2023

[6]《Environmental and economic assessments of magnetic and inertial fusion energy reactors》（Yamazaki，2011）

[7]王宇暉，Z箍縮驅(qū)動混合堆包層換料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究，2016

本文摘自：2024年1月5日已經(jīng)發(fā)布的《可控核聚變（二）：技術(shù)路線百花齊放，民用重點(diǎn)關(guān)注托卡馬克和場反位形》

曾韜 分析員 SAC 執(zhí)證編號：S0080518040001 SFC CE Ref：BRQ196

劉爍 分析員 SAC 執(zhí)證編號：S0080521040001

于寒 分析員 SAC 執(zhí)證編號：S0080523070011 SFC CE Ref：BSZ993