聚变60年

六十年前，第二届国际和平利用原子能大会于1958年9月1日至18日在日内瓦召开；来自69个国家、地区和9个专门机构的代表和顾问2692名、观察员3651名和新闻界代表911名出席了大会。

这次大会第一次在国际上解密、公开了受控核聚变能源研究的进展情况，堪称国际受控核聚变元年（要到1960年代，才有激光的发明、惯性约束聚变概念的提出）。这次会议中国派出了代表团参加，在回程经过西伯利亚的漫长旅途上，聚变界的前辈王承书先生在翻译会议资料时，第一次把“plasma”这个词翻译成“等离子体”（参见拙作《三八节、女科学家及“plasma的汉语译名”的来历》）。所以1958年也是中国等离子体物理元年。

六十年来，最值得聚变人骄傲的一点，就是聚变研究（严格来说是磁约束聚变研究）堪称国际合作的典范。

1980年代，美苏开始结束冷战、签署大规模削减核武器条约，提到同时也该为和平利用核能做一点事情。当时双方想到唯一可以合作的就是磁约束聚变研究；并与欧日一起发起了“国际热核聚变实验堆”计划（International Themonuclear Experiment Reactor Project；简称“ITER计划”）。也是1980年代，中美签订了科学技术合作协定。30多年了，唯一坚持下了来的项目，也是磁约束聚变研究。在中美贸易战的背景下，今年的双边会议在西安召开。但合作热情不仅不减，而且进一步深入。

当然，ITER计划也是几经风雨：

先是1990年代初期苏联解体、美国经济衰退，当年的这两个发起国都退了“群”，剩下被拉进来做陪衬的欧日反而坚持下来，直到2006年中美同时加入（相差一天），俄韩印再凑成七方，开始新的“ITER计划”；后来则是两届日方干事长“当政”期间将计划一再延期，引发全世界质疑声——还引起了国际上关于“聚变三、五十年就实现”的调侃：30年前就说：“聚变三、五十年就实现”，30年过去了还是说“聚变三、五十年就能实现”！

其实最早（1950年代）的说法是：聚变三、五年就能实现！

传说当年美国聚变界的领袖人物（仿星器的发明者、普林斯顿等离子体物理国家实验室（PPPL）创始人）Spitzer教授对刚刚进入聚变领域的年轻人说：这是一个非常令人鼓舞的工作！但是很可惜，过几年你又得找工作了——因为再有三、五年聚变就实现了！

这反映出人们对最终获得聚变能源的艰难程度的逐步认识过程：从过分乐观到过于悲观。事实上，国际合作聚变研究距今也不过60年而已，且“三、五十年实现聚变”也只是在上世纪七、八十年代才提出的。当时正是中东石油危机威胁西方经济发展，PPPL大规模招收年轻人开展聚变研究。目前世界上现存或者曾经有过的最大聚变研究装置TFTR、JET、JT-60(U)等也都是那时候开始设计、建设的。如果从这些装置运行开始算，距今也就是三十多年。

国际聚变研究的第一个十年（1958-1968）是“百家争鸣”时期。主要的磁约束聚变概念：托卡马克（Tokamak）、仿星器（Stellarator）、磁镜（Mirror）等等都是这一时期大行其道的。紧接着则是“独尊儒术”的托卡马克时代。

世界上第一个托卡马克装置（苏联的T1）也是在1958年开始运行的。所以1958年也是托卡马克元年。托卡马克的第一批实验结果在1965年正式发表，可惜美国的Spitzer先生根本不相信（dismiss the results）！1968年，托卡马克的第二批结果出来了：远远好于当时所有其它装置的结果！担心西方国家的同行们继续采取“不相信”的态度，苏联人邀请了英国科学家去 Kurchatov Institute独立地诊断、测量这些参数。欧美人对这一“打脸”结果的阿Q式解嘲是这样说的：因为苏联人的诊断仪器落后、测量精度不够，英国人测到的结果比苏联人自己宣布的还要好！

这开启了聚变研究的托卡马克时代：直到现在正在建造的ITER，仍是一个托卡马克装置。

1970年代，一批托卡马克装置开始建造、运行（包括中科院物理所的CT-6）；1980年代，在前10年的研究基础上，一批从今天的尺度看仍然是大型的托卡马克装置（如美国的TFTR、欧洲的JET、日本的JT-60）开始建造、运行；1990年代，JET、TFTR相继做了氘氚聚变实验、且以验证稳态氘氚聚变运行、获得聚变净能源为目标的ITER开始设计。。。——基本是10年一个台阶，其发展速度甚至比芯片技术发展的Moore’s Law还要快！如果不是1990年代美国聚变研究计划的大规模“下马”和后来的“退群”，ITER可能早已经氘氚运行了。

这是国际聚变研究60年给我们的第一个教训：像聚变能源这样长期的、关系全人类未来的大科学工程，必须有长远的、连续性的规划，而不能急功近利。这一点，欧洲人、中国人、日本人做得都比美国好。——这是方向性问题。

当然还有技术路线上的问题。

1990年代美国聚变研究计划的大规模“下马”，一个重要原因是TFTR的失败。

TFTR，全称：Tokamak Fusion Test Reactor！顾名思义，这个装置就是奔着实现获取聚变能源去的，与我们的CFETR（China Fusion Engineering Test Reactor）近乎“同名”：Tokamak现在已经不需要强调了（反而不是托卡马克的需要体现出来），我们只是改成“中国”、再加上了“工程”一词，强调侧重点。反而是后来建的JET和JT-60，在名称上更加保守（Joint European Torus和Japan Torus-60）。但是TFTR的致命弱点是圆截面设计、且不能改装偏滤器，所以在相对物理参数上一直不如晚些时候设计、建造的DIII-D、JET、Asdex-U这些装置。作为第一个提出以“Fusion”为目标的装置，其第一次氘氚聚变实验是1994年。反而是设计、运行更晚的JET率先在1991年进行了氘氚聚变实验。TFTR得到的10.7 MW的聚变功率也被JET得到的16 MW所超过。而Q（输出的聚变功率与输入的加热功率之比）= 0.67（聚变功率16 MW/加热功率24 MW）的世界纪录，目前也是被JET保持的。【需要说明的是：JT-60进行的氘氘聚变实验，按照其折算的氘氚聚变功率，可得到Q = 1.25。但是，这只是一个理论估计；真正在这个温度、密度和能量约束条件下做氘氚聚变实验，得到的聚变功率很可能没有那么高。所以国际上仍认为目前的聚变研究还没有达到Q = 1的breakeven条件。】

比较一下：TFTR的环向磁场是6 T（特斯拉），最大加热功率51 MW；而JET的环向磁场是3.45 T，最大加热功率38 MW。所以JET胜出，主要原因是其用了D形截面、偏滤器设计。

这是国际聚变研究60年给我们的第二个教训：技术路线要对头！

美国在1990年代后期，因为TFTR的问题，开始强调“替代（即替代托卡马克）概念”（alternative concept）。记得当时笔者到等离子体所，见到当时的所长霍裕平院士，提到这一趋势；霍先生斩钉截铁地说：“什么“替代概念”？！不要信他们！还是要坚持托卡马克的技术路线！”当然在坚持中也不断提出新概念：沿着这条路，苏联人提了超导、德国人做了偏滤器、中国人实现了全超导、MIT强调了强场。。。一路走下来。

——这是路线性问题。

如今在ITER计划在各方共同努力下、在欧方（法国）干事长的推动下，终于做到“按时间表”（on schedule）推进，计划2035年实现氘氚运行；中国的CFETR也完成了概念设计、进入工程设计。但是，就托卡马克时代来说，比起1968-1998年这前30年，1998-2018这后20年的进展步子确实慢下来了。关键问题就是1980年代之后没有建造新的大型装置（后来建的Asdex-U、EAST、KSTAR等等都是中型装置）。1990年代到2000年代本应该是ITER时代，却成了“蹉跎岁月”。这20年的ITER“蹉跎”，形成了聚变研究的低谷，是“三、五十年实现”成了调侃的主要原因。但是正是这段时间，成为中国磁约束聚变研究的机遇期，给了我们弯道超车的机会。把握住，就走在世界前列；到2058年，国际聚变研究百年之时，再回顾，我们就可以骄傲地说：人类驾驭聚变能源的梦想，在我们手里实现了！

同行们，努力！