磁約束聚變的案例
磁約束聚變產業鏈梳理：電源系統處于核心裝備環節
在磁約束核聚變產業鏈中，裝置總體、超導磁體、真空室、偏濾器、加熱系統、診斷系統與電源系統共同構成核心裝備體系。其中電源系統雖不直接參與等離子體物理機制研究，卻為所有子系統提供能量輸入與精確控制，是決定裝置能否穩定運行、能否達到設計參數的關鍵基礎部件。
聚變電源與常規工業電源差異顯著：它強調高穩定度、低噪聲、快速瞬態響應、強抗干擾能力以及復雜工況下的高可靠性，往往需要根據裝置拓撲、線圈參數、脈沖時序進行深度定制開發。森木磊石聚焦聚變裝置電源的工程化實現，圍繞 HL?2M 等大科學工程形成了覆蓋勵磁、加熱、真空、診斷等多場景的電源產品矩陣，在大功率模塊串聯、高壓系統絕緣配合、多電源同步控制等方面積累了大量工程經驗。
隨著聚變產業鏈逐步成熟，具備自主研發與批量交付能力的國產電源企業，將為裝置建設提速降本提供重要支持。其中，深耕聚變電源領域的森木磊石，
擁有國內最齊全的解決方案和豐富的應用案例，可提供直流高壓電源、高壓脈沖電源、陽極高壓電源等全品類產品，憑借成熟的技術方案、豐富的工程驗證經驗以及定制化服務能力，已成為 HL?2M 托卡馬克裝置核心電源配套供應商之一，未來將持續完善產品矩陣、提升技術水平，助力磁約束聚變產業鏈上下游協同發展，推動國產托卡馬克裝置配套電源的自主化進程。
展開 我國核能技術的發展方向
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聚變科學需要解決的技術問題
實現受控聚變主要有磁約束和慣性約束兩種途徑，二者均處于不同探索階段，距離聚變能源的要求還比較遠。磁約束聚變界正在聯合建造國際熱核聚變實驗堆(ITER)，將在ITER上研究穩態燃燒等離子體各類物理與技術問題，驗證開發利用聚變能源的科學可行性和工程可行性。Z箍縮慣性約束聚變首先需要解決點火問題。
實現大量聚變反應所需的關鍵技術，對磁約束聚變而言是加熱、約束(實現聚變)和維持(長時間或平均長時間的聚變反應);對慣性約束而言則是壓縮、點火和高重復頻率點火。未來的磁約束聚變裝置必須以長脈沖或者連續方式運行，以便獲得可實用的聚變能量并穩定輸出;慣性約束聚變要能獲得大量聚變能量必須實現以高重復頻率點火方式運行，具有相當大的挑戰。
聚變能源在商業應用前還需研制能耐高能中子輻照的材料，建立能夠實現氚自持的燃料循環等諸多工程技術挑戰。發展聚變裂變混合堆有可能促進聚變能提前應用，其在未來能源中的競爭力應該和第四代堆及純聚變堆比較。
核能領域科技發展態勢
壓水堆是2030年前我國核電發展的主力?？傮w發展方向是圍繞核能利用的長期安全穩定及效能最大化。
展開 可控核聚變工程化推進，特種電源如何支撐聚變裝置穩定運行
隨著磁約束核聚變研究向高參數、長脈沖、高約束模式發展，聚變裝置對供電系統的要求已遠超常規工業電源。無論是超導磁體勵磁、中性束注入高壓供電，還是等離子體診斷、弧流驅動等環節，都需要電源具備極低紋波、高穩定度、快速動態響應以及在強電磁干擾環境下長期可靠工作的能力。尤其是在脈沖工況下，電源需在毫秒級時間內完成能量精確輸出，任何波動都可能影響等離子體約束狀態。
在國內新一代聚變裝置建設中，電源系統的自主化程度不斷提升。武漢森木磊石長期深耕大功率高精度特種電源領域，圍繞 HL?2M 等聚變裝置的實際需求，開發了適用于磁體系統、加熱系統、真空系統及診斷系統的系列化電源產品。其在高壓絕緣設計、高頻軟開關拓撲、多模塊串并聯均流均壓控制、電磁兼容優化等方面形成了成熟技術方案，能夠滿足聚變裝置復雜工況下的高精度、高可靠供電需求。
深耕聚變電源領域，具備完整工程驗證經驗的國產電源供應商，將在產業鏈中承擔越來越重要的角色。其中，武漢森木磊石作為
國內聚變電源解決方案最齊全、應用案例最多的企業，憑借覆蓋PSM電源模塊、陽極高壓電源、輔助放電電源等全品類的完整解決方案，依托在 HL?2M 這一國內核心托卡馬克裝置配套中積累的豐富技術與項目經驗，持續優化產品性能、完善解決方案，不僅為當前聚變實驗裝置提供穩定可靠的電力支撐，更將助力國產聚變電源技術的迭代升級，推動我國磁約束核聚變工程化進程穩步向前，為實現聚變能源自主可控奠定堅實基礎。
展開 2.5GPa！燕山大學納米鋼重要進展
研究工作得到了國家自然科學基金、國家磁約束聚變能研究項目、燕山大學高層次人才項目的資助。
來源：亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室 張春祥
核聚變箍縮反應堆
托卡馬克裝置利用磁體來約束高溫等離子體，原子核在高溫等離子體中發生聚變并釋放能量。盡管取得了這些成就，但傳統的磁約束聚變距離實現核聚變承諾的大量生產無碳電力還要幾年的時間。
但托卡馬克并非獲得核聚變能量的唯一途徑?？偛课挥谖餮艌D的Zap能源公司的FuZE-Q反應堆計劃于2022年年中完工，這個反應堆不需要昂貴復雜的磁線圈，而是由機器沿著高導電等離子體柱發送電流脈沖，產生的磁場可同時限制、壓縮和加熱電離氣體。這種方法被稱為Z箍縮（Z-pinch），這樣命名是因為電流沿著三維網格的第三軸或Z軸箍縮等離子體，其產生能量的裝置有可能會比笨重的托卡馬克裝置以及當前正在開發的激光聚變設備更簡單、更小巧、更便宜。
Z-箍縮等離子體過去一直受到不穩定性的困擾。在沒有完全均勻擠壓的情況下，等離子體會在幾十納秒內起皺、蜷縮和倒塌，時間太短，無法產生有效的電量。
Zap能源公司的方法叫做“剪切流穩定”，其通過調整等離子體沿立柱的流動來克服不穩定性。這種設計用速度更快的等離子體流將等離子體包裹在立柱中心軸附近。離子體就像在高速公路中間車道上行駛的一輛輛汽車，由于兩側車道呼嘯而過的車輛高速而密集，因此無法變換車道。與之前的Z箍縮結構相比，這種設置保持聚變反應等離子體被集結和被壓縮的時間更長。
Zap能源公司的研發總監本?萊維特（Ben Levitt）說：“我們認為我們的反應堆是最便宜、最緊湊、最可擴展的解決方案，也是實現商業聚變發電的最短路徑?！比R維特預測，到2023年中期，Zap將達到Q=1的科學盈虧平衡點，即聚變原子釋放的能量等于創造聚變條件所需的能量。它將成為第一個達到該點的聚變項目。
由于聚變能源研究長期以來都未能兌現諾言，這類說法值得懷疑。但Zap能源公司在令人生畏的陡峭技術曲線上迅速攀登，令人印象深刻。
展開 燕山大學Nature Communications: 超高強度、熱穩定、抗輻照納米晶鋼
研究工作得到了國家自然科學基金（11575114, 51571120）、國家磁約束聚變能研究項目（2015GB113000）、燕山大學高層次人才項目(005000201)的資助。
文獻鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-018-07712-x
Congcong Du, Shenbao Jin, Yuan Fang, Jin Li, Shenyang Hu, Tingting Yang, Ying Zhang, Jianyu Huang, Gang Sha, Yugang Wang, Zhongxia Shang, Xinghang Zhang, Baoru Sun, Shengwei Xin & Tongde Shen, Ultrastrong nanocrystalline steel with exceptional thermal stability and radiation tolerance, Nature Communications 9: 5389 (2018)
展開 螺旋天線助力核聚變反應
核聚變是一種能量產生的過程。在這個過程中，兩個氘原子被加速到足以克服庫侖力的水平，融合成一個氦原子和一個中子，釋放出巨大的能量。核聚變不僅無碳排放，廢棄物產生量少，而且燃料來源幾乎取之不盡，因此堪稱能源生產的終極手段。核聚變是太陽燃燒的動力，如果人類能夠在地球上掌控這種能量，將有望引發一場清潔能源革命。
保持托卡馬克裝置的最佳狀態
托卡馬克設計依靠磁場限制熱等離子體，具有很高的可行性。等離子體是一種電離氣體，它由正離子和自由電子組成，近似電中性。通常情況下，等離子體是在低壓下產生的。
托卡馬克聚變裝置使用一系列磁線圈，在環形腔室內產生等離子體，并使之在裝置內穩定（圖1）。然后，使用外部加熱系統將等離子體加熱到攝氏1.5億度的極高溫度，以實現核聚變。
圖 1. DIII- D托卡馬克核聚變裝置內部視圖。
在美國圣地亞哥，通用原子能公司 (General Atomics，簡稱GA)代表美國能源部運行DIII-D國家聚變設施，為推動實現磁約束聚變而持續努力。作為一座面向用戶開放的設施，DIII-D托卡馬克接待了650多位來自世界各地的研究人員在此進行最前沿的聚變研究。
DIII-D托卡馬克運行小組使用多物理場仿真優化操作流程和診斷設備，確保整個設施處于最佳運行狀態。DIII-D托卡馬克首席操作員，通用原子能公司的HumbertoTorreblanca指出：“得益于COMSOLMultiphysics? 軟件，我們無需再使用簡化模型進行工程分析，也不必假設所處理的問題是理想化的場景。我們可以研究托卡馬克的復雜幾何形狀，并構建出一系列復雜的多物理場模型?！?“因此，我們可以設計并推進我們的構想，而不會損壞設備。仿真能夠提供非常準確的結果，讓我們不必依賴于簡化的假設進行計算?！盩orreblanca補充道。
展開 羽絨服、牛仔褲從蘇聯換來了中國第一個"人造太陽"
自裝置建成以來，在國內實現了三步跨越：第一步，磁位形由限制器位形到偏濾器位形的跨越；第二步，等離子體電子溫度達5500萬度，是迄今國內裝置達到的最高溫度；第三步，等離子體約束模式由低約束模式到高約束模式的跨越。
尤其是2009年4月18日，中國環流器二號A在國內首次實現了高約束模式運行，使得我國成為繼美、日、歐之后第四個實現高約束模式運行的國家。
中法科學家見證EAST遙操作維護系統調試成功。資料圖
EAST是世界上第一個“全超導非圓截面托卡馬克裝置”。近年來，EAST一直走在國際競爭最前列，在高性能、穩態、長脈沖等離子體研究方面成績傲人。
2017年7月3日晚，EAST裝置在世界上首次實現了5000萬度等離子體持續放電101.2秒的高約束運行，實現了從30秒到60秒，再到百秒量級的跨越。再次創造了核聚變新的世界紀錄。
這是2018年度EAST物理實驗后，科研人員在進行EAST裝置內部檢查（8月29日攝）。 新華社 資料圖
2018年11月12日，中科院等離子體物理研究所發布消息： EAST近期實現了等離子體中心電子溫度達到1億攝氏度等多項重大突破，獲得的實驗參數接近未來聚變堆穩態運行模式所需要的物理條件，朝著未來聚變堆實驗運行邁出了關鍵一步。
這些里程碑性的重要突破，表明我國磁約束聚變研究在穩態運行的物理和工程方面繼續走在國際前沿，對國際熱核聚變試驗堆（ITER）和未來中國聚變工程試驗堆（CFETR）建設和運行具有重大的科學意義。
事實上，與ITER相比，EAST只有其1/4大小，但EAST的成功經驗已經支撐了ITER的建設。如研制出可通過90千安電流的高溫超導電流引線，使ITER制冷電耗每年減少2/3以上；證明ITER磁體電源設計方案存在的風險，并設計出新方案。
展開 液態鋰對無氧銅的腐蝕研究
液態鋰對聚變裝置中相關結構材料和第一壁材料的腐蝕特性研究對液態鋰在聚變裝置中的應用和相關材料的選擇具有重要意義。近年來，研究人員開展了大量液態鋰對不銹鋼、鉬及鎢的腐蝕實驗研究，實驗過程中發現了鋰腐蝕損壞實驗裝置無氧銅密封圈的現象（X.C. Meng, et al., Fusion Eng. Des. 2018:128 75）。
在此基礎上，研究人員系統地開展了無氧銅在液態鋰中的腐蝕實驗和模擬研究，結果發現無氧銅與液態鋰無法兼容。液態鋰對無氧銅的腐蝕機理包括：銅在液態鋰中的物理溶解和液態鋰對銅的晶界腐蝕，物理溶解取決于銅在液態鋰中的溶解度，但由于腐蝕裝置中出現多種金屬，銅在液態鋰中的恒溫質量遷移是其質量損失的主要原因；晶界能的存在使晶界銅原子易于溶解在液態鋰中，同時液態鋰也易于通過晶界缺陷滲透進入銅晶界中，致使銅性能受損，同時液態鋰沿銅晶界腐蝕也會造成銅晶粒剝落，造成銅基底損壞和銅質量的大量損失。該研究為液態鋰環境中無氧銅的應用防護提供重要的依據及參考。
以上研究工作獲得等離子體所相關科研人員的鼎力支持，同時也得益于國際同行的合作，并得到國家重點研發專項、國家磁約束核聚變能發展研究專項、國家自然科學基金等的資助。（來源：中國科學院合肥物質科學研究院）
液態鋰對無氧銅的腐蝕機理簡圖
展開 中國“人造太陽”首次實現1億度運行
通過優化穩態射頻波等多種加熱技術在高參數條件下的耦合與電流驅動、等離子體先進控制等，結合理論與數值模擬，實現加熱功率超過10兆瓦，等離子體儲能增加到300千焦；在電子回旋與低雜波協同加熱下，等離子體中心電子溫度達到1億度，并有效拓展了適應于聚變堆高性能等離子體穩態高約束模式的運行區間，實現了高約束、高密度、高比壓的完全非感應先進穩態運行模式，獲得的歸一化參數接近未來聚變堆穩態運行模式所需要的物理條件。EAST取得的這些實驗成果為未來國際熱核聚變實驗堆運行和正在進行的中國聚變工程實驗堆CFETR工程和物理設計提供了重要的實驗依據與科學支持。（央視記者 帥俊全）
展開 2019年流體力學實驗技術發展與展望研討會在京召開
隨后，沈陽飛機設計研究所副總設計師黎軍研究員從實際作戰需求出發提出飛機在研制過程中對氣動實驗測量技術的需求，并做了精彩的報告；中科院力學研究所李戰華研究員從流體力學實驗測量基礎出發總結了近幾十年以來流體力學測量技術的發展現狀，并分別從時間和空間尺度提出了對于流體力學實驗測量方面目前所存在的瓶頸，同時她認為流體力學測量可以借用目前的人工智能技術獲得更好的發展；中國科學技術大學羅喜勝教授做了題為“極端條件下的界面失穩與湍流混合的實驗研究：進展與挑戰”的報告，詳細講述了超高速激波管的設計思路及應用情況和取得的創新性研究成果；上海交通大學劉應征教授對PSP測量技術的研究進展與未來趨勢進行了詳細介紹，認為Light-Scanning PSP system 是PSP測量技術發展的重要方向之一；北京航空航天大學楊立軍教授做了“噴霧火焰動態熱釋放率測量方法”的報告，提出了一種間接測量熱釋放率的實驗方法；天津大學姜楠教授系統地介紹了他們團隊在流動減阻方面開展的大量研究工作，如采用微槽道結構、超疏水表面、添加聚合物等，通過對精細測量結果的分析獲得了流動減阻的機理；中國科學院大學倪明玖教授以磁約束核聚變堆中的磁流體力學問題為背景，詳細介紹了團隊在強磁場、大溫差的極端環境下所開展的一系列實驗研究工作，并針對不透明液態金屬內部流動測量指出了未來實驗技術的發展方向；清華大學孫超教授詳細介紹了他們在微尺度領域所發展的精細氣膜厚度的光學測試方法，為相關實驗測試技術的發展提供了思路；國防科技大學易仕和教授做了“高超深度流場超高幀頻NPLS成像測試技術及其應用”的報告，展示了他們團隊所發展的這種先進流場測量技術對高頻流動的測量結果。
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盤點2018那些驚艷世界的“中國制造”
小編帶您一起盤點：
中國“人造太陽”首次實現一億度運行
11月12日，我國大科學裝置“人造太陽”取得重大突破，成功實現加熱功率超過10兆瓦，等離子體儲能增加到300千焦，等離子體中心電子溫度首次達到1億℃，獲得的多項實驗參數接近未來聚變堆穩態運行模式所需要的物理條件，朝著未來聚變堆實驗運行邁出了關鍵一步，也為人類開發利用核聚變清潔能源奠定了重要的技術基礎。
承載我國“人造太陽”夢想的東方超環（EAST）是等離子體所自主設計、研制并擁有完全知識產權的磁約束核聚變實驗裝置，是世界上第一個非圓截面全超導托卡馬克，也是我國第四代核聚變實驗裝置，它的科學目標是讓海水中大量存在的氘和氚在高溫條件下，像太陽一樣發生核聚變，為人類提供源源不斷的清潔能源。
推力矢量技術攻關取得重大突破
11月6日，第十二屆中國國際航空航天博覽會在珠海開幕。由我國自主研制的殲-10B推力矢量驗證機在珠海上空成功進行了過失速機動飛行表演。展示的“榔頭”機動，“大迎角360度滾轉”“落葉飄”“眼鏡蛇”“赫伯斯特”等典型過失速機動飛行動作，充分體現了殲-10B推力矢量驗證機優異的飛行性能。
實現過失速機動飛行，不僅要擁有帶推力矢量技術的發動機，同時，飛機必須具有優良的大迎角氣動性能、良好的進發匹配特性、以及獨特的飛行控制技術。近幾年，我國推力矢量技術取得重大突破，成為世界上少數幾個掌握此項關鍵技術的國家之一。
北斗衛星導航系統進入全球組網新時代
11月1日，我國在西昌衛星發射中心用長征三號乙運載火箭成功發射第17顆北斗三號全球組網衛星。這顆衛星屬于地球靜止軌道衛星，是第41顆北斗導航衛星，也是北斗三號系統首顆地球靜止軌道衛星。
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