原型堆（DEMO）

原型堆（DEMO: DEMOnstration Power Plant）是计划在实验堆 ITER 之后建造的聚变装置。ITER 的任务是从科学上证明「聚变能够取出能量」，而 DEMO 则要证明「用这种聚变实际发出电力、自己供应燃料，并能长时间持续运转」。本页将从直觉出发一直讲到研究前沿，逐步说明 DEMO 为什么必要、难在哪里。

先建立直觉（高中水平）

设想要把一种新的交通工具推向市场。首先要在研究所里造一台试验机，试试「发动机能不能转」。接着造一辆实用样车，证明它「能在街上跑、能加油、能每天使用」。最后才有工厂量产的市售车登场。用聚变来打比方，试验发动机能否运转的试验机就是实验堆 ITER，实用样车就是原型堆 DEMO，市售车就是商用堆。可以把 DEMO 理解为恰好填补实验与商用之间空白的阶段。

ITER 与 DEMO 的区别主要有 3 点。

第一点是发电。ITER 只确认聚变能放出能量，但不会把这些能量转换成电力送出去。DEMO 则用聚变产生的热把水烧开，用蒸汽驱动汽轮机发电，并实际把电送入电网。像火力发电厂和核电厂那样，把电送到插座那一头，正是 DEMO 要做的事。

第二点是自己供应燃料。聚变的燃料是氘（deuterium）和氚（tritium）。氘可以从海水中取之不尽，但氚在自然界几乎不存在，而且是大约 12 年就衰减一半的放射性物质。因此在 DEMO 中，要用聚变飞出的中子轰击锂来产生氚，把用掉的那部分在堆内重新制造出来。这套「燃料自给」的机制正是 DEMO 的核心。

第三点是长时间持续运转。发电厂如果老是停机就毫无用处。DEMO 追求的不是反复点火与停机的实验运转，而是长时间稳定持续的稳态运转和高开工率。

用物理来理解（本科水平）

我们用数值来看 DEMO 的目标。表征聚变性能的代表性指标之一是 $Q$ 值。它是相对于投入的加热功率，聚变所获得功率的比值。

Q = \frac{P_\text{fus}}{P_\text{heat}}

这里 $P_\text{fus}$ 是聚变输出， $P_\text{heat}$ 是为加热等离子体而从外部输入的功率。ITER 的目标是 $Q \geq 10$ ，也就是用聚变获得投入功率的 10 倍。DEMO 则要求更大的 $Q$ ，追求几乎不需要外部加热、接近自加热的运转。

要作为发电厂成立，还必须看电力的收支。设由聚变输出发电得到的电力为 $P_\text{gross}$ ，为运转整座堆而消耗的电力（加热装置、线圈、冷却系统等）为 $P_\text{recirc}$ ，则可向外部送出的净电输出为：

P_\text{net} = P_\text{gross} - P_\text{recirc}

$P_\text{net}$ 确实为正，而且达到有意义的规模（数百 MW 级），是 DEMO 发电示范的条件。

表征燃料自给的是氚增殖比（TBR: Tritium Breeding Ratio）。

\text{TBR} = \frac{\text{包层中生成的氚的量}}{\text{聚变中消耗的氚的量}}

TBR 为 1 时，恰好能造出所消耗的量。但现实中会有残留在管道里或因衰变而损失的部分，而且启动新堆还需要库存。因此 DEMO 的目标定为 $\text{TBR} > 1.05$ 左右，也就是要能稍微多造一些。氚由中子与锂的核反应产生。

{}^{6}\text{Li} + n \rightarrow {}^{4}\text{He} + T + 4.8\ \text{MeV}

这个反应在包裹堆芯周围、称为包层（blanket）的装置内发生。

开工率（availability）是一年当中实际能够运转的时间所占的比例。在实验堆中即便只有几个百分点也能达成研究目的，但要示范发电的 DEMO 需要 30〜50% 以上，未来的商用堆则需要 70% 以上。

深入理论（研究生水平）

DEMO 设计之难，不在于把各个要素技术单独提高就够了，而在于必须同时满足相互矛盾的要求。这正是实验堆与原型堆的本质区别。

首先是稳态运转的物理。托卡马克（tokamak）型通过流过等离子体电流来产生约束磁场，但利用变压器原理的感应电流本质上只能进行脉冲运转。要长时间稳态运转，就要高比例地利用等离子体自身产生的自举电流（bootstrap current），不足的部分用中性粒子束注入（NBI）、电子回旋波电流驱动（ECCD）、低杂波电流驱动（LHCD）等外部电流驱动来补充。把自举电流比例提高到 0.7〜0.8 的先进运转方案，在日本的设计中尤其受到重视。

其次是排热问题。从等离子体流出的热和粒子会集中到称为偏滤器（divertor）的部分。到达这里的热流密度可能超过材料所能承受的极限（大致 10〜20 MW/m² 左右）。因此人们正在研究在偏滤器前方把能量传递给中性气体以分散热量的脱靶（detachment，非接触等离子体）运转，以及在磁场位形上下功夫的先进偏滤器。

再者，从堆工程来看，包层需要用一台设备同时承担增殖（制造氚）、屏蔽（阻挡中子）、除热（为发电取出热量）这 3 项职责。设计方案中有用氦冷却、铺满锂小球（pebble）的氦冷球床（HCPB），以及用水冷却液态锂铅合金的水冷锂铅（WCLL）等，尚未收敛到唯一方案。包层的详细机制在增殖包层页面中讨论。

这些要求常常相互冲突。要提高 TBR，就希望把包层做厚并填满锂，但结构材料和冷却剂吸收中子又会使 TBR 下降。想提高开工率，可堆内在运转后会变成高剂量、人无法进入，检修全部只能远程进行，因而耗时。如何在有限的设计空间中让这些矛盾达成折中，正是原型堆设计的核心。

研究前沿（博士水平）

当前的 DEMO 研究处于「概念设计」阶段，各方都在按各自的思路打磨设计。

日本的 JA DEMO 以量子科学技术研究开发机构（QST）和聚变科学研究所（NIFS）为中心，正作为大半径 8.5 m 级的装置推进概念设计。它重视依靠高自举电流比例实现的稳态运转，其特点是与日欧合作的更广泛路径（BA: Broader Approach）活动中建成的 JT-60SA，以及材料辐照设施 IFMIF-DONES 联动，积累设计数据。它采取的是先反映 ITER 的运转成果再作出建造决定的稳健的分阶段路径。

欧洲的 EU-DEMO 由 EUROfusion 主导，以大半径 9 m 级、聚变输出 2000 MW 级的脉冲运转为基本方案，同时并行研究稳态运转选项。其突出特点是让前述的 HCPB 与 WCLL 两种包层概念相互竞争、推进评估。

此外，中国的 CFETR 采取分阶段进行工程试验与发电示范的两阶段计划，韩国的 K-DEMO 采取以高性能 Nb3Sn 超导线圈实现高磁场为核心的设计，各方各有不同的技术侧重。近年来，民间聚变创业公司也提出了各自的示范堆构想，形成与公共 DEMO 计划并行推进的局面。

要实现 DEMO，人们讨论认为需要填补若干技术鸿沟。第一是增殖包层的验证。能否在实机规模上真正实现 TBR > 1，尚未得到验证。目前正推进在 ITER 上安装试验包层模块（TBM: Test Blanket Module），在核环境下考察其行为的计划。第二是材料辐照数据的不足。结构材料在运转中会受到达到 50〜100 dpa（displacement per atom，原子离位数）的中子辐照，而目前能模拟这一条件的辐照源有限。为获取低活化铁素体钢（F82H、EUROFER97）和 SiC/SiC 复合材料的辐照数据，正在推进 IFMIF-DONES 等中子辐照设施的建设。材料方面的课题在结构材料页面中详细讨论。第三是稳态运转的验证，第四是远程检修方式的确立，即如何分割堆内设备、能在多长时间内更换，将直接左右开工率。

作为研究方法，近年来重要性日益提高的是设计集成与系统程序（systems code）。它把等离子体物理、磁场线圈、包层、偏滤器、发电系统、成本等众多要素联立起来，在相互矛盾的约束中探索能够成立的设计点的集成分析手法。使用欧洲的 PROCESS 或日本的 TPC 等系统程序，系统地扫描设计空间以寻找最优堆参数的研究，正在全球范围内活跃起来。阅读论文时，systems code、design point、tritium self-sufficiency、divertor heat load、pulsed versus steady-state operation 等关键词会频繁出现。

理解自测

第 1 题关于实验堆 ITER 与原型堆 DEMO 最大的区别，下列哪一项是正确的？

第 2 题为什么氚增殖比（TBR）恰好为 1 还不够，需要达到 1.05 左右？

第 3 题净电输出 P_net = P_gross - P_recirc 中的 P_recirc 指的是什么？

第 4 题增殖包层用一台设备同时承担的 3 项职责是哪些？

第 5 题为什么在 DEMO 设计中系统程序受到重视？