作者：
吳勘 郭楷模 趙晏強 陳偉
（中國科學院武漢文獻情報中心）
2018年12月，由中國科學院文獻情報中心系統國際科學技術前沿報告研究組完成、張志強研究員任研究組組長和主編的《國際科學技術前沿報告2018》已由科學出版社正式出版、公開發(fā)行。
《國際科學技術前沿報告2018》從主要科技領域中選擇科學與工程計算、引力波研究、虛擬現實研究、石墨烯防腐涂料、磁約束核聚變、生物成像技術、人類微生物組、作物病蟲害導向性防控、地球深部金屬礦資源探測、第三極環(huán)境研究等10個科技前沿領域或熱點前沿問題，以專業(yè)型、計算型、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，逐一對其進行國際研究發(fā)展態(tài)勢的全面系統分析，剖析其國際整體進展狀況、研究動態(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域或熱點問題研究的對策建議，為我國這些領域科技創(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，為有關科研機構開展這些科技前沿領域或熱點問題的研究部署提供國際相關領域科技發(fā)展的重要參考背景。
國際核聚變研究現狀和發(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是實現聚變能的商業(yè)化應用。
經過半個多世紀的不懈努力，世界各國已在磁約束核聚變理論方法、關鍵技術和實驗裝置（如托卡馬克和仿星器等）上取得了突破性進展，托卡馬克裝置實現聚變反應并作為受控磁約束核聚變反應堆的科學可行性已經得到初步驗證，成為未來實現受控核聚變能的主要研究途徑之一。
目前，包括中國在內的七個世界主要聚變研究國家和地區(qū)正投入巨大財力、人力，聯合建造世界上規(guī)模僅次于國際空間站的大科學工程計劃——托卡馬克類型的國際熱核聚變實驗堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER），努力解決與托卡馬克聚變反應堆工程可行性和商用可行性密切相關的穩(wěn)態(tài)先進托卡馬克運行模式及燃燒等離子體物理這兩大科學問題。
2017 年以來，磁約束核聚變研究在理論研究、材料開發(fā)及實驗和制造工藝上均已經取得多項重要成果：
在聚變理論研究上，美國麻省理工學院等離子體科學與聚變中心（Plasma Science Fusion Center，PSFC）研究人員于8月2日被授予美國物理學會的約翰道森獎，其在等離子體物理研究方面開創(chuàng)性地使用質子射線照相法揭示了高能量密度（High-Energy Detector，HED）等離子體的流動性以及不穩(wěn)定性。三名研究人員利用激光能量學實驗室的激光設備和勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的國家點火裝置，研究了慣性約束聚變等離子體和HED等離子體的物理學原理。
由于這些等離子體在相當短的時間尺度上發(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、演變以及其他現象，PSFC團隊開發(fā)了多重單能量粒子源（Multiple-Monoenergetic-Particle Source，MMPS）。
MMPS是一種背光源，能夠進行輻射實驗以便更好地了解等離子體的結構和進化。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，普林斯頓等離子體物理實驗室于8月18日宣布，其研究人員在國家球形托卡馬克實驗裝置（NSTX-U）上發(fā)現了一種非常簡單快捷的方式來抑制可能停止聚變反應并損壞反應堆壁的不穩(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模式，可能導致聚變反應失敗。
NSTX-U最近安裝了第二臺中性射束注入器以產生高能粒子來抑制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就可以啟動并驅動這些快離子，從而冷卻等離子體并停止聚變反應。第二個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間尺度抑制GAE。
來自中性束的快速離子與裝置內部的離子結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。
這一結果同時驗證了由物理學家Elena Belova開發(fā)的計算機代碼“HYM”的預測，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)定性進行合理的預測。
在聚變材料開發(fā)上，普林斯頓等離子體物理實驗室研究人員于7月5日宣布，采用輕質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時的高能粒子轟擊的能力，并且改善等離子體的約束。
其采用的鋰超導托卡馬克實驗裝置（Lithium Tokamak Experiment，LTX）是用液態(tài)鋰完全包圍等離子體的首個裝置，實驗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。研究結果證實了之前的預測：在邊緣溫度高、幾乎恒定的溫度分布情況下，冷卻氣體經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驗研究方面，中國全超導托卡馬克EAST在7月3日實現了穩(wěn)定的101.2秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束等離子體運行，創(chuàng)造了新的世界紀錄。
這標志著EAST成為了世界上第一個實現穩(wěn)態(tài)高約束模式運行持續(xù)時間達到百秒量級的托卡馬克核聚變實驗裝置。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)運行的物理和工程方面，將繼續(xù)引領國際前沿，對ITER和未來中國聚變工程實驗堆（China Fusion Engineering Testing Reactor，CFETR）建設和運行具有重大的科學意義。
7月26日，由中國科學院等離子體物理研究所承擔研制的ITER計劃首個超導磁體系統部件——饋線（FEEDER）采購包PF4過渡饋線正式完成，在高溫超導電流引線、超導接頭、低溫絕熱、低溫高壓絕緣等核心技術方面取得了諸多國際領先成果。其研發(fā)的萬安級高溫超導電流引線，集高載流能力、低冷量消耗和長失冷安全時間三方面優(yōu)勢于一體，替代了原ITER銅電流引線設計，大大降低了ITER的運行成本和低溫系統的建造投入。
另外，研發(fā)的68kA級高溫超導電流引線更是創(chuàng)造了在85kA下運行1小時，90kA下運行4分鐘的世界紀錄；研發(fā)的盒式高載流低損耗超導接頭，接頭電阻達到0.2納歐的世界領先水平，可以保障ITER裝置主機的安全運行。9月12日，美國通用原子公司在圣地亞哥DIII-D國家聚變裝置進行的實驗中外推得到，對ITER級別的等離子體，當被用于模擬阿爾法粒子和高能粒子束的氘離子激發(fā)多個阿爾芬波時，將會損失高達40%的高能粒子。根據研究結果，普林斯頓等離子體物理實驗室物理學家在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確模型。他們使用NOVA和ORBIT的模擬代碼來預測哪些阿爾芬波將被激發(fā)，以及它們對高能粒子的影響。其證實了NOVA模擬預測，在DIII-D實驗中，超過10個不穩(wěn)定的阿爾芬波可以被氘束激發(fā)。
此外，與實驗結果的測量一致，建模預測高達40%的能量粒子將會損失掉。該模型首次在這種高性能等離子體中證明，可以預測多個阿爾芬波對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，并提出了新的實驗達到理論預測的條件，以減少高能粒子的損失。
本報告分析了全球核聚變研究的科學引文索引（SCI）論文，從文獻計量角度揭示出聚變領域的主要國家、研究機構和科研人員特征。
該領域 2007～2016 年每年發(fā)文量均在2000 篇以上，參與國家、研究機構眾多。美國在聚變等離子體物理領域的發(fā)文量、總被引次數和 H 指數均位列全球第 1 位，且大幅領先于排在第 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。 中國科學院整體在該領域的發(fā)文量位列第 2 位，但論文影響力離頂尖研究機構還有很大差距，下屬研究機構中發(fā)文量最多的是合肥物質科學研究院和中國科學技術大學。
