作者：
吳勘 郭楷模 趙晏強(qiáng) 陳偉
（中國科學(xué)院武漢文獻(xiàn)情報(bào)中心）
2018年12月，由中國科學(xué)院文獻(xiàn)情報(bào)中心系統(tǒng)國際科學(xué)技術(shù)前沿報(bào)告研究組完成、張志強(qiáng)研究員任研究組組長和主編的《國際科學(xué)技術(shù)前沿報(bào)告2018》已由科學(xué)出版社正式出版、公開發(fā)行。
《國際科學(xué)技術(shù)前沿報(bào)告2018》從主要科技領(lǐng)域中選擇科學(xué)與工程計(jì)算、引力波研究、虛擬現(xiàn)實(shí)研究、石墨烯防腐涂料、磁約束核聚變、生物成像技術(shù)、人類微生物組、作物病蟲害導(dǎo)向性防控、地球深部金屬礦資源探測、第三極環(huán)境研究等10個(gè)科技前沿領(lǐng)域或熱點(diǎn)前沿問題，以專業(yè)型、計(jì)算型、戰(zhàn)略型、政策型和方法型“五型融合”的科技戰(zhàn)略研究新范式，逐一對其進(jìn)行國際研究發(fā)展態(tài)勢的全面系統(tǒng)分析，剖析其國際整體進(jìn)展?fàn)顩r、研究動(dòng)態(tài)與發(fā)展趨勢、國際競爭發(fā)展態(tài)勢，并提出我國開展這些科技前沿領(lǐng)域或熱點(diǎn)問題研究的對策建議，為我國這些領(lǐng)域科技創(chuàng)新發(fā)展的科技布局和研究決策等提供重要的咨詢依據(jù)，為有關(guān)科研機(jī)構(gòu)開展這些科技前沿領(lǐng)域或熱點(diǎn)問題的研究部署提供國際相關(guān)領(lǐng)域科技發(fā)展的重要參考背景。
國際核聚變研究現(xiàn)狀和發(fā)展態(tài)勢
核聚變能被視為是人類可持續(xù)發(fā)展最理想的未來能源，受控核聚變研究的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)聚變能的商業(yè)化應(yīng)用。
經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的不懈努力，世界各國已在磁約束核聚變理論方法、關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)驗(yàn)裝置（如托卡馬克和仿星器等）上取得了突破性進(jìn)展，托卡馬克裝置實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)并作為受控磁約束核聚變反應(yīng)堆的科學(xué)可行性已經(jīng)得到初步驗(yàn)證，成為未來實(shí)現(xiàn)受控核聚變能的主要研究途徑之一。
目前，包括中國在內(nèi)的七個(gè)世界主要聚變研究國家和地區(qū)正投入巨大財(cái)力、人力，聯(lián)合建造世界上規(guī)模僅次于國際空間站的大科學(xué)工程計(jì)劃——托卡馬克類型的國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER），努力解決與托卡馬克聚變反應(yīng)堆工程可行性和商用可行性密切相關(guān)的穩(wěn)態(tài)先進(jìn)托卡馬克運(yùn)行模式及燃燒等離子體物理這兩大科學(xué)問題。
2017 年以來，磁約束核聚變研究在理論研究、材料開發(fā)及實(shí)驗(yàn)和制造工藝上均已經(jīng)取得多項(xiàng)重要成果：
在聚變理論研究上，美國麻省理工學(xué)院等離子體科學(xué)與聚變中心（Plasma Science Fusion Center，PSFC）研究人員于8月2日被授予美國物理學(xué)會(huì)的約翰道森獎(jiǎng)，其在等離子體物理研究方面開創(chuàng)性地使用質(zhì)子射線照相法揭示了高能量密度（High-Energy Detector，HED）等離子體的流動(dòng)性以及不穩(wěn)定性。三名研究人員利用激光能量學(xué)實(shí)驗(yàn)室的激光設(shè)備和勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的國家點(diǎn)火裝置，研究了慣性約束聚變等離子體和HED等離子體的物理學(xué)原理。
由于這些等離子體在相當(dāng)短的時(shí)間尺度上發(fā)生，所以其評估極具挑戰(zhàn)性。為了幫助探測和檢查這些等離子體的狀況、演變以及其他現(xiàn)象，PSFC團(tuán)隊(duì)開發(fā)了多重單能量粒子源（Multiple-Monoenergetic-Particle Source，MMPS）。
MMPS是一種背光源，能夠進(jìn)行輻射實(shí)驗(yàn)以便更好地了解等離子體的結(jié)構(gòu)和進(jìn)化。這對于觀察發(fā)生在大約1ns（1ns=10?9s）左右的等離子體行為特別適用。
與此同時(shí)，普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室于8月18日宣布，其研究人員在國家球形托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置（NSTX-U）上發(fā)現(xiàn)了一種非常簡單快捷的方式來抑制可能停止聚變反應(yīng)并損壞反應(yīng)堆壁的不穩(wěn)定性問題。被抑制的不穩(wěn)定性被稱為全域阿爾芬本征模式（Global Alfense Eigen mode，GAE），是一種常見的湍流擾動(dòng)模式，可能導(dǎo)致聚變反應(yīng)失敗。
NSTX-U最近安裝了第二臺中性射束注入器以產(chǎn)生高能粒子來抑制GAE。激發(fā)GAE的是同樣的中性粒子束，這些粒子通過加熱等離子體將其電離成電子和離子或原子核。一旦由這些快速離子觸發(fā)，GAEs就可以啟動(dòng)并驅(qū)動(dòng)這些快離子，從而冷卻等離子體并停止聚變反應(yīng)。第二個(gè)注入器的中性束能夠以更高的俯仰角流過等離子體，其方向與約束等離子體的磁場大致平行。注入的外部束流可在毫秒量級時(shí)間尺度抑制GAE。
來自中性束的快速離子與裝置內(nèi)部的離子結(jié)合以增加離子的密度，并改變其在等離子體中的分布。這一突然的改變降低了離子密度的梯度或斜率，沒有這些梯度或斜率就無法形成與傳播GAEs。
這一結(jié)果同時(shí)驗(yàn)證了由物理學(xué)家Elena Belova開發(fā)的計(jì)算機(jī)代碼“HYM”的預(yù)測，并可能對建造ITER有用，以證明控制燃燒等離子體的能力，并產(chǎn)生比它消耗的能量多10倍的能量。研究表明，只有少量具有足夠能量的粒子能夠抑制GAEs。通過使用該代碼，可以對ITER的GAE穩(wěn)定性進(jìn)行合理的預(yù)測。
在聚變材料開發(fā)上，普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室研究人員于7月5日宣布，采用輕質(zhì)銀色金屬鋰涂層的托卡馬克第一壁，能夠提高裝置壁材料承受核聚變反應(yīng)時(shí)的高能粒子轟擊的能力，并且改善等離子體的約束。
其采用的鋰超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置（Lithium Tokamak Experiment，LTX）是用液態(tài)鋰完全包圍等離子體的首個(gè)裝置，實(shí)驗(yàn)表明鋰涂層可以使等離子體芯部到邊界的溫度分布保持不變。研究結(jié)果證實(shí)了之前的預(yù)測：在邊緣溫度高、幾乎恒定的溫度分布情況下，冷卻氣體經(jīng)過等離子體的邊緣回到托卡馬克壁表面，主要是由于鋰的特性能夠降低邊界的再循環(huán)。
在聚變工程和物理實(shí)驗(yàn)研究方面，中國全超導(dǎo)托卡馬克EAST在7月3日實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的101.2秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束等離子體運(yùn)行，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。
這標(biāo)志著EAST成為了世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式運(yùn)行持續(xù)時(shí)間達(dá)到百秒量級的托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。這一里程碑式的重要突破，表明我國磁約束聚變研究在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的物理和工程方面，將繼續(xù)引領(lǐng)國際前沿，對ITER和未來中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（China Fusion Engineering Testing Reactor，CFETR）建設(shè)和運(yùn)行具有重大的科學(xué)意義。
7月26日，由中國科學(xué)院等離子體物理研究所承擔(dān)研制的ITER計(jì)劃首個(gè)超導(dǎo)磁體系統(tǒng)部件——饋線（FEEDER）采購包PF4過渡饋線正式完成，在高溫超導(dǎo)電流引線、超導(dǎo)接頭、低溫絕熱、低溫高壓絕緣等核心技術(shù)方面取得了諸多國際領(lǐng)先成果。其研發(fā)的萬安級高溫超導(dǎo)電流引線，集高載流能力、低冷量消耗和長失冷安全時(shí)間三方面優(yōu)勢于一體，替代了原ITER銅電流引線設(shè)計(jì)，大大降低了ITER的運(yùn)行成本和低溫系統(tǒng)的建造投入。
另外，研發(fā)的68kA級高溫超導(dǎo)電流引線更是創(chuàng)造了在85kA下運(yùn)行1小時(shí)，90kA下運(yùn)行4分鐘的世界紀(jì)錄；研發(fā)的盒式高載流低損耗超導(dǎo)接頭，接頭電阻達(dá)到0.2納歐的世界領(lǐng)先水平，可以保障ITER裝置主機(jī)的安全運(yùn)行。9月12日，美國通用原子公司在圣地亞哥DIII-D國家聚變裝置進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中外推得到，對ITER級別的等離子體，當(dāng)被用于模擬阿爾法粒子和高能粒子束的氘離子激發(fā)多個(gè)阿爾芬波時(shí)，將會(huì)損失高達(dá)40%的高能粒子。根據(jù)研究結(jié)果，普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室物理學(xué)家在DIII-D托卡馬克建立了這些阿爾芬波對高能氘束影響的定量準(zhǔn)確模型。他們使用NOVA和ORBIT的模擬代碼來預(yù)測哪些阿爾芬波將被激發(fā)，以及它們對高能粒子的影響。其證實(shí)了NOVA模擬預(yù)測，在DIII-D實(shí)驗(yàn)中，超過10個(gè)不穩(wěn)定的阿爾芬波可以被氘束激發(fā)。
此外，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的測量一致，建模預(yù)測高達(dá)40%的能量粒子將會(huì)損失掉。該模型首次在這種高性能等離子體中證明，可以預(yù)測多個(gè)阿爾芬波對DIII-D托卡馬克的能量粒子的約束作用。DIII-D裝置的新升級將有助于探索改善等離子體約束的條件，并提出了新的實(shí)驗(yàn)達(dá)到理論預(yù)測的條件，以減少高能粒子的損失。
本報(bào)告分析了全球核聚變研究的科學(xué)引文索引（SCI）論文，從文獻(xiàn)計(jì)量角度揭示出聚變領(lǐng)域的主要國家、研究機(jī)構(gòu)和科研人員特征。
該領(lǐng)域 2007～2016 年每年發(fā)文量均在2000 篇以上，參與國家、研究機(jī)構(gòu)眾多。美國在聚變等離子體物理領(lǐng)域的發(fā)文量、總被引次數(shù)和 H 指數(shù)均位列全球第 1 位，且大幅領(lǐng)先于排在第 2 位的德國及其他國家，我國發(fā)文量位列第 3 位。從發(fā)文時(shí)序看，我國在 2007～2016 年的論文快速增長，年度發(fā)文量在 2015 年接近美國，并在 2016 年超過美國。
從趨勢變化來看，我國在核聚變研究的發(fā)文量仍將保持快速增長趨勢。 中國科學(xué)院整體在該領(lǐng)域的發(fā)文量位列第 2 位，但論文影響力離頂尖研究機(jī)構(gòu)還有很大差距，下屬研究機(jī)構(gòu)中發(fā)文量最多的是合肥物質(zhì)科學(xué)研究院和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)。
