2月17日，美国国家科学院发布《将核聚变引入美国电网》报告^[1]指出，未来数十年美国电力需求仍将保持稳定增长的态势，预计仅2040~2050年间美国年均电力需求增量将达到30吉瓦，因此亟需发展先进的零碳电力——聚变发电，推进电力系统低碳转型，应对不断增长的电力需求和气候变化挑战，实现碳中和目标。为此，报告提出了一项设计、建造和运营聚变示范电站的计划，目标是在2035年前开始建设，2040年前建成并投入使用，为聚变电站的商业化应用铺平道路，使美国成为全球核聚变领域的领导者。

为了确保目标的实现，报告呼吁聚变领域各利益相关方应该加大对核聚变研究的投入，并敦促美国能源部（DOE）加强与相关大学、私营企业合作并组建国家级、跨学科的研究团队，联合攻关，解决聚变示范电站建造运营面临的一系列科学技术挑战，并提出了相关建议。

挑战1：等离子体稳态自持燃烧

等离子体的自持燃烧和稳态运行是核聚变装置研究的核心关键问题，示范堆和商业堆实现的前提就是等离子体自持和稳态燃烧，其他所有的技术（超导磁场、核材料、探测技术等）都是围绕这个关键问题进行支撑。然而，核聚变要实现自持燃烧和稳态运行的条件极为苛刻，一是温度要足够高，使燃料变成超过1亿摄氏度的等离子体；二是密度要足够高，这样两原子核发生碰撞的概率就大；三是等离子体在有限的空间里被约束足够长时间。

应对建议：开发先进的模型工具，开展高温等离子体产生、加热、输运及不稳定性等动力学过程，以及等离子体边界、等离子体与壁材料的相互作用模拟研究；探索先进的核聚变热流、氦灰的有效排除方法和手段，以及耐高温耐辐射的核聚变堆包层结构材料。

挑战2：面向等离子体材料

在聚变装置中，聚变等离子体的边缘与其面对的材料有着强烈的作用。面向等离子体材料（包括第一壁、偏滤器及限制器的装甲材料等）在服役期间需要直接面对超高热流、低能高束流的氢氦等离子体辐照、高能中子辐照等极端环境，对材料性能提出极高要求。因此聚变等离子体边缘和核材料的研发不仅需要考虑材料的传统性能，如力学性能、热学性能等，更关键的是需要考虑材料在中子、等离子体等高能粒子辐照极端恶劣环境下的表现，这给研发带来极大挑战。

应对建议：探明面向等离子体材料与热流、高能中子流相互作用工作机制；研究等离子体的各种物理机制及其协同作用下的杂质腐蚀、迁移、再沉积，进一步了解聚变反应堆中等离子体与壁的相互作用行为；研发低成本、优良的耐高温腐蚀性、抗辐照损伤、面向等离子体材料以及防护涂层材料；开发新型测试平台以对新研发的面向等离子体材料耐高温、耐辐照、耐腐蚀性能开展测试评估。

挑战3：高温超导磁体

使用常规材料制作的磁体线圈，通电后就会因电阻损耗造成温升，在大电流条件下难以稳态运行，且难以产生足够强的稳定磁场，而超导线圈载流能力强，且不存在焦耳损耗，因而成为聚变堆磁体的良好选择。但由于聚变磁体在运行时，导体要传输很大的电流；在大绕组尺寸下，线圈要产生很高的磁场；导体要经受瞬变电场分量的影响和中子辐照的影响，还要承受大的应力。这些对超导体都是不利的，因此聚变磁体的导体设计必须考虑磁体在运行时所处的环境。

应对建议：示范高温超导磁体在强磁场下的性能稳定性，包括避免或减轻在必要的结构强度/负载作用下的超导失超；设计建造一个低温中子测试设施，开展高温超导体自旋涨落的中子散射研究；研发新型防中子辐射材料。

挑战4：结构材料

在聚变堆中，材料除了需要面对聚变反应产生的高能中子辐照外，同时受到核嬗变反应产生的氦、氢及其同位素等气体原子的影响，这些都会对结构材料产生非常不利的影响，具体表现为辐照缺陷、氦泡、辐照硬化及脆化等。因此结构材料的研究和发展成为聚变领域主要研究内容，也是使聚变能成为可实现、可使用的新能源重要挑战之一。

应对建议：开展核聚变反应堆用低活化铁素体/马氏体钢的辐照损伤机制研究；先进聚变反应堆用高温铁素体/马氏体钢的相关基础研究；聚变反应堆用新型耐高温、抗辐照结构材料探索和研发；在充分考虑结构材料的蠕变、疲劳、抗腐蚀特性后，设计一套材料设计标准用于指导结构材料开发；建造专有设施用于新型结构材料的耐高温、耐辐照、抗机械应变等特性研究。

挑战5：等离子体加热技术

为实现受控热核聚变，需要将等离子体加热到足够高的反应温度。传统的加热方式是欧姆加热，但在欧姆加热过程中，随着等离子体温度的升高，等离子体的电阻率越来越小，这样加热效率也就越来越低，仅仅采用欧姆加热并不能达到反应堆的温度，必须采用其他加热方式，这些方法称之为辅助加热。目前加热等离子体主要方式有三种：等离子体电流加热、电磁波加热、中性粒子束加热。但是总体而言，均面临加热效率不够高问题。

应对建议：开展更先进更高效的新型加热技术的理论和实验研究；开展高密度下加热及电流驱动效率和协同效应研究；在兆瓦级微波关键技术上寻求突破；探索研究符合聚变示范堆长脉冲高效稳定运行的新方法；探索点火点附近的各种物理过程和实现点火的方式。

挑战6：闭式燃料循环技术

聚变能源是以氘氚聚变反应为基础的一种新型、清洁、可持续能源。无论是磁约束聚变堆还是惯性约束聚变堆，都面临氘氚燃料“自持”循环挑战。氚是一种放射性物质，在实验前、实验中以及实验后，都需要谨慎操作。任何与氚相接触的材料都有可能被氚化，结果可能导致放射性废物的产生。因此需要发展高效经济的氚燃料闭式循环技术。

应对建议：开展先进的氚燃料闭式循环技术研发，减少氚库存及由此带来的潜在环境安全风险；研发结构和性能更优的新一代核聚变堆用氚增殖剂材料及其制备技术；开展新型的氚增殖剂实验包层模块结构设计研究。                                               （郭楷模）