《南華早報》報道了一個讓人驚喜的消息，中國頂級科學家稱核聚變發電距離我們只有6年的時間了，據這位科學家表示，中國政府已批准建設世界上最大的脈衝驅動器，計劃在2028利用核聚變能併網發電。
Z-FFR聚變電站：更容易實現的核聚變發電技術
《南華早報》報道稱，發佈這消息的是中國工程物理研究院的彭先覺院士，他是在9月9日北京Techxcope（遠望智庫）的在線會議上表示「聚變點火是當今世界科技皇冠上的一顆明珠」，但是要實現聚變點火太難了！
彭院士說核聚變點火有兩種，一種是激光點火，利用高頻脈衝的極光輸出來點燃核聚變燃料小球，但這需要性能極高的儲能設施比如高性能電容與激光來驅動，對目前來說技術難度太高。
另一種是磁約束等離子體核聚變，這種是利用磁場約束極端高溫的氘氚等離子體來讓其中的氘核和氚核聚變，不僅需要不斷對等離子體提供加熱，還需要長時間約束它，儘管已經露出一線曙光，多項技術上獲得了突破，但難度同樣非常大，實際應用遙遙無期。
彭院士表示一種包含聚變和裂變反應堆結構的混合堆可以相對降低這個難度，Z-FFR聚變堆的中心聚變需求功率比較低，易於實現，用聚變為裂變提供中子增值，聚變只佔整個反應堆能量的5%，裂變佔95%，這個混合堆可以使用核廢料作為原料，將會率先實現聚變應用！
Z-FFR混合堆，用的是什麼技術？
Z-FFR其實是兩種技術的混合，Z-箍縮技術和裂變增殖堆，網上關於這方面的資料比較少，筆者找到了《中國工程科學》期刊上的一篇論文，可算是說明白了：
Z-箍縮其實是一種慣性約束結束，這個說起來有點複雜，這裡先給出一個簡單的概念，和那個慣性約束的激光點火核聚變是有一種約束類型，只不過點火方式改成了脈衝電流產生的強磁場，它的標準定義如下：
數十MA大電流（Z方向流動）通過金屬柱形薄套筒產生的巨大洛倫茲力（磁壓強度達百萬大氣壓以上）推動套筒等離子體高速徑向內爆（箍縮），並以每秒數百公里的速度撞擊聚變靶丸，把動能轉化為實現聚變所需的輻射能（X射線）和物質內能。
脈衝電流產生的強磁場作用於自身載流等離子體負載，使其受到洛侖茲力作用而向負載軸心內爆，通過慣性約束實現熱核點火和燃燒。基於脈衝功率技術的快Z箍縮(Fast Z—pinch)技術可以實現驅動器電儲能到Z箍縮負載動能或X光輻射能的高效率能量轉換。2010年提出的Z箍縮直接驅動激光預熱磁化套筒結合了慣性約束中壓縮加熱和磁約束中磁絕緣和α加熱增強的優勢，有望為實現聚變提供新途徑。
大致意思是目前激光約束突破很難，但Z-箍縮給出了一個新方向，使得聚變的門檻變得更低，原因也比較簡單，與磁約束動輒幾棟樓那麼大、聚變腔體堪比一個小會議室，Z-箍縮明顯要小很多，能量輸入也不大。
Z-FFR混合堆的另一個關鍵就是次臨界反應堆，它以低含量鈾-235為核燃料，混合大量鈾-238（普通核反應堆中這個為核廢料），輕水為傳熱、慢化介質並與壓水堆技術結合的次臨界反應堆。
它的工作過程是這樣的，氘氚聚變後的高能中子能量達14MeV，通過輕水減速後被鈾-235捕獲發生裂變，其裂變產生的2~3個「中能」中子被輕水減速後再被鈾-235捕獲再次裂變。
另一個則是輕水減速中子的效果很差（就需要它不好），大部分聚變產生的高能中子並不會被減速，而是直接被鈾-238捕獲，高能中子可以直接讓其裂變，能量稍低的也能讓其完成增殖變成鈾-239、經過幾次衰變後轉化為鈈-239。
鈈-239大家都知道，這是製造原子彈的原料，當然這也是可以裂變的產物，所以在混合堆中裂變燃料利用率之高難以想像，比如快中子增殖堆中的釷等都以利用起來，對這些可裂變或者原來的裂變堆中的難以裂變的原料甚至核廢料都可以裂變，利用率可達90%以上，就目前地球上的鈾、釷資源可以為人類提供千年的能源。
還有一個關鍵則是其裂變過程的中子大部分都是Z-箍縮核聚變提供，如果Z-FFR混合堆失控，Z-箍縮核聚變停堆，那麼提供裂變的高能中子將減少直至消失，這個裂變堆也會漸漸停止，不存在熱失控的問題，這就是次臨界堆的安全性。
因此Z-FFR混合堆安全性相當高，而且對中心核聚變堆的功率要求比較低，不過其製造成本就目前而言仍然比較高，100萬千瓦的Z-FFR混合堆造價為30億美元左右。
2028年併網發電？
Z-FFR混合堆中包含三個部分：Z-箍縮驅動器、聚變靶及爆室、次臨界能源堆，最關鍵的技術是Z-箍縮驅動器，它需要數十兆安量級的電流產生百萬大氣壓的磁壓力，驅動套筒等離子體以每秒數百公里高速向心內爆，實現靶丸聚變。
彭院士認為，目前用於用於聚變研究的至少需要60兆安電流的驅動器，採用LTD拓撲結構，降低基本放電單元的能量和功率；增大電流脈衝上升前沿時間和負載半徑；提出新型的磁絕緣傳輸線（MITL）等降低技術要求。
彭院士表示，通過極強的電脈衝產生的磁壓力的驅動器將於2025年左右在成都建成，這台驅動器將產生5000萬安培的電流，大約是美國桑迪亞國家實驗室的類似設備Z-箍縮設備的兩倍，它是2028年完成Z-FFR混合堆最關鍵的設備，這將為在2035年前完成商業發電做好準備。
核聚變發電技術：到底有幾種？為何會那麼難？
如果不是很熟悉核聚變路線的朋友，對上文中的磁約束、慣性約束等關鍵詞可能看得雲里霧裡，不過沒關係，下文會繼續介紹下核聚變的幾條路線以及目前大致的進度。
核聚變的種類以及實現的難度
核裂變是利用重核被中子轟擊後裂變為兩個較輕的原子核，並且會釋放出2~3個中子和大量能量的過程，核聚變剛好和這個過程相反，過程是兩個個輕核聚變成兩個重核的過程，你沒有看錯，重核裂變、輕核聚變都可以放出巨大能量，兩者「交匯點」是鐵核，因此恆星中一旦生成鐵就無法聚變了，也沒法裂變，成了一個「死球」，未來將會坍縮形成超新星爆發。
扯遠了，再回到核聚變，儘管鐵核前的原子核大部分都能聚變，但實現難度太高，因此科學家會找最容易聚變的原子核，這個標準就是結合能低，大致的順序是原子序數越靠前結合能越低，氫最低（氫有氕氘氚三種同位素，氕佔比最高為99.98%，氘為0.02%，氚痕量），不過兩個氕核聚變要先吸收能量，將其中一個質子轉變為中子，變成氘後再聚變，要求太高，只有太陽那樣的核心才能完成，而且效率極低。
太陽核心的質子-質子鏈反應
因此科學家直接就找了氘和氚，也就是氫彈中的聚變材料，雖然這兩種聚變材料條件比較低，但如果在沒有特別大壓力條件下，至少需要上億度的高溫並且長時間保持這個狀態，才能讓氘核和氚核有機會碰撞完成聚變，核聚變路線就是如何讓這兩種原子核保持在如此高溫狀態之下讓其聚變的技術。
元素的結合能
就目前的核聚變路線而言，大致方向有兩種，不過在這些技術路線上又分出多個分支，但原理不外乎如下這兩種：
- 1、磁約束核聚變；
- 2、慣性約束核聚變；
磁約束核聚變是利用一個強大的磁場控制並壓縮高溫等離子體（經過中性束注入加熱、波加熱等方式後導入聚變腔室），讓等離子體在足夠的密度容納足夠長的時間裏儘可能多的發生核聚變反應。
這個就是Lawson crITERion（勞遜判據或者勞遜準則），它代表了核聚變研究中的品質因數，給出了等離子體（電子）產物的最低要求值密度和「能量限制時間」的比值，這將導致凈能量輸出比例，因此一台足夠成熟的磁約束核聚變裝置內，提高溫度、增加磁場強度，延長約束時間就成了最關鍵的指標，因此每當有突破時新聞中基本就這三個數據，其他如何實現，用了什麼技術，沒人關心，其實大部朋友也聽不懂。
磁約束：環形磁場成主流
磁約束的路線中有多個方式來約束這個等離子體，比較常見的有磁鏡、環形機兩種，不過磁鏡技術早已淘汰，目前在搞的是托卡馬克和仿星器，兩種都是環形，不過托卡馬克是標準的環形，而仿星器則像一個被切成兩半的圓環再「交叉」的拼接在一起，形成一個 8 字形。
托卡馬克和仿星器
兩者都是屬於環形磁場約束路線，只是仿星器的支持者認為對於約束階段高溫的等離子體湍流時用「扭曲」的磁場更容易控制，而事實上似乎也是，但仿星器存在的問題其體積可能超長超大，在1970年代被取消，但在托卡馬克遭遇到困境的二十一世紀又再次被撿回來，目前仿星器比托卡馬克要落後兩代左右。
托卡馬克：ITER的由來
托卡馬克是一個標準的環形磁場，ITER（國際熱核聚變實驗堆）也屬於托卡馬克。最早是蘇聯物理學家Igor Tamm和Andrei Sakharov在1950年代搞出來的，由於其在穩定的等離子體平衡上有天然的優勢，因此到了1970年代時已經風靡全球（當時有數十個托卡馬克裝置在運行）。
但托卡馬克遭遇了一個問題，小型設備完全無法解決，而大型托卡馬克裝置各國又無力單獨建設，因此ITER（國際熱核聚變實驗堆）就應運而生了，參與國包括中國、歐盟、印度、日本、俄羅斯、韓國和美國。
實驗堆選址法國，於2013年正式開建，最初的預算在60億歐元，但預計建設和運營的總成本可能高達220億歐元，總成本可能在450億美元到650億美元之間，整體預計在2025年前建成並開始測試。
托卡馬克的致命問題
托卡馬克解決了等離子體穩定性問題，由於等離子體受熱不均勻新會受到磁場的影響而在等離子體中逃逸，造成能量、燃料損失；另外它還會受到垂直位移事件」（VDE）影響導致等離子體出現垂直移動，碰觸真空室（反應腔室）的上壁和下壁。
此時不僅會導致等離子體約束狀態被破壞，而且還會讓千萬度甚至上億度的等離子體觸碰托卡馬克的內壁，比如法國原子能委員會 (CEA)研究中心建設的Tokamak de Fontenay-aux-Roses (TFR)實驗堆中的等離子體失控時直接將內壁燒了個大洞，差點報廢！
而且托卡馬克實驗堆中這類事故概率很高，比例大約在百分之幾左右，這個比例簡直就要命，不過幸好目前的技術已經能控制到盡量不損壞，或者VDE事件時降低對內壁的破壞程度。
從EAST到CFETR
這是中國科學院等離子體物理研究所在中國安徽省省會合肥市建設的世界第一個全超導磁體托卡馬克核聚變反應試驗性裝置，是國際上穩態磁約束聚變研究的重要實驗平台，其研究成果將為未來國際熱核聚變實驗反應堆(ITER)提供工程技術支持：
- 2006年9月28日，EAST完成第一次放電，這是世界上第一台全超導的非圓截面托卡馬克；
- 2008年12月19日，我國研製的ITER 68kA高溫超導大電流引線的低溫通電實驗的電流峰值達到90kA，並持續4分鐘時間，創下了高溫超導電流引線實驗的世界最高記錄；
- 2012年，EAST創造了兩項世界記錄：超過400秒，2000萬度的高參數偏濾器等離子體；穩定重複超過30秒的高約束（H模式）等離子體放電；
- 2016年1月28日， EAST成功實現了電子溫度超過5千萬度、持續時間達102秒的超高溫長脈衝等離子體放電，刷新了H模式運行時間的世界紀錄。
- 2016年11月2日，EAST成為第一個在約 5000萬°C下成功維持H模式等離子體超過一分鐘的托卡馬克
- 2021年12月30日，實現了1056秒的長脈衝高參數等離子體運行，再次創造了托卡馬克實驗裝置運行的新世界紀錄
2017年，中國聚變工程實驗堆（CFETR）正式開始工程設計，這是我國下一代超導聚變堆，看起來中國在托卡馬克技術上的進展可以到核聚變堆的程度了，這個進度已經走在了全球領先的位置。
另一個核聚變路線就是慣性約束
慣性約束技術原理要比磁約束更容易理解，這個技術是將氘氚燃料製成小球，然後在激光的轟擊下達到極端高溫的狀態從而讓其發生聚變，目前在比較有名的是美國的NIF（國家點火裝置），這是倫斯·利弗莫爾國家實驗室研製的。
NIF在2013年7月份的實驗中，192束激光束成功融合成一個單一脈衝，照射在氘氚燃料靶標上產生了1.8兆焦耳的能量和500萬億瓦的峰值功率，在此次實驗中反應放出的能量超過了激光的能量，這表示Q已經大於1，不過這遠遠不夠。
我國也有神光系列在涉及慣性約束核聚變技術方向研究，我國在固體激光技術比美國還要先進一些，不過慣性約束的研究投入還是美國來得更大，與磁約束相比，慣性約束的同樣困難重重，比如如何讓燃料更高比例吸收激光能量等。
不過慣性約束核聚變還有一個難題是如何將聚變的能量引出，但慣性約束有個天然的優勢是可以將其作為核聚變推進發動機使用，這要比磁約束核聚變作為推進發動機更簡單。
參考：
https://www.scmp.com/news/china/science/article/3192435/chinas-top-weapons-scientist-says-nuclear-fusion-power-6-years
