全球能源转型中，可控核聚变技术突破面临哪些科学难题？

1. 等离子体约束与稳定性

• 磁约束的挑战： 在托卡马克等磁约束装置中，高温等离子体（超过1亿摄氏度）极易因磁流体力学不稳定性（如撕裂模、边界局域模ELM）而失控或损失能量。维持等离子体长时间稳定运行（如ITER目标≥400秒）是巨大挑战。
• 湍流与能量损失： 等离子体内部存在复杂湍流，导致能量和粒子以远超经典理论预测的速度损失（反常输运），降低约束效率。
• 边界物理： 等离子体与第一壁材料接触的边界区域物理复杂，涉及热流管理、杂质控制和粒子再循环，直接影响装置寿命和性能。

2. 第一壁与材料耐受性

• 极端环境： 面对高能中子（14.1 MeV）、高热流（MW/m²级）、等离子体轰击和强磁场，材料必须同时具备：
  • 抗辐照损伤： 高能中子轰击导致材料肿胀、脆化、性能退化。
  • 耐高温与热冲击： 承受瞬态热负荷（如ELM爆发）而不熔化或开裂。
  • 低活化性： 选择在辐照后不会产生长寿命放射性废物的材料（如低活化钢、碳化硅复合材料、钨）。
  • 氚滞留与渗透控制： 防止燃料氚在材料中过度滞留和渗透，影响燃料循环和安全。
• 材料开发与测试： 现有材料难以完全满足要求，新材料研发和在聚变中子环境下的长期行为测试是重点。

3. 聚变点火与能量增益

• 实现Q>1： 使聚变产生的能量（Q）大于输入加热能量，并持续足够长时间（ITER目标Q=10，持续燃烧数分钟）。
• 等离子体加热： 开发高效加热手段（如中性束注入、射频波加热）将等离子体加热至聚变温度。
• α粒子加热： 聚变产生的α粒子（氦核）能否有效将能量沉积回等离子体，实现自持燃烧（“燃烧等离子体”），而非主要依赖外部加热。

4. 氚燃料循环与自持

• 氚短缺： 氚在自然界中极其稀有且半衰期短（约12.3年），必须依靠反应堆自身增殖。
• 氚增殖包层： 开发包含锂（锂-6）的包层结构，利用聚变中子通过核反应（n + ⁶Li → T + ⁴He）在线生产氚。
• 氚提取与回收： 高效、安全地从增殖材料（如液态锂铅、固态陶瓷球）中提取氚，并纯化回收至燃料循环系统。
• 氚自持系数>1： 整个燃料循环系统必须实现“氚增殖率 > 氚消耗率”，确保反应堆长期运行无需外部供氚。氚的渗透损失和滞留是挑战。

5. 工程设计与集成

• 超导磁体： 大型强磁场超导磁体（如ITER使用Nb₃Sn）的制造、冷却（低温系统）、稳定性和抗辐照能力。
• 偏滤器与热排除： 设计高效偏滤器（如ITER的ITER Divertor）处理排出粒子和巨大热负荷（10-20 MW/m²），常采用先进冷却技术或液态金属方案。
• 遥操作与维护： 高放射性环境要求所有维护必须通过远程操作完成，对设备可靠性和可维护性提出极高要求。
• 系统集成与可靠性： 将复杂子系统（等离子体控制、加热、真空、低温、氚处理、电源）高度集成，确保安全、可靠、连续运行。

总结

可控核聚变是典型的多学科交叉前沿科技，其突破依赖于等离子体物理、材料科学、核工程、低温工程、系统工程等多个领域的协同进展。虽然ITER、EAST等装置正逐步验证科学可行性，但实现经济实用的聚变能源，仍需在等离子体稳定性、材料耐受性、氚自持循环和巨型工程可靠性等核心科学难题上取得根本性突破。