研究背景

我国是能源消费大国，优质、绿色能源资源紧缺，人均经济可采的资源储量少，能源利用效率仍然偏低，能源消费总量过大，能源结构亟待优化，生态环境约束正在不断加剧。《2050年世界与中国能源展望》报告指出到2050年煤炭、油气和非化石能源将呈三分天下的局面。因此在世界能源结构转型的大背景下，发展清洁能源和改善能源结构是我国确保能源安全的重要战略，清洁的可再生资源在我国能源结构中的比重上升将是必然趋势。

太阳的能量来自中心的热核聚变，这种反应在太阳上已经持续了50亿年。实验室中，聚变的原料是氘（D）和氚（T）,氘在海水中储量丰富，氚可通过锂间接获得。据计算，1公斤氢燃料，至少可以抵得上4公斤铀燃料或1万吨优质煤燃料。每升海水中含有0.03克氘，这0.03克氘聚变时释放出的能量相当于300升汽油燃烧的能量。海水的总体积为13.7亿立方公里，共含有几亿亿公斤的氘。这些氘的聚变所释放出的能量，足以保证人类上百亿年的能源消耗。而且氘的提取方法简便，成本较低，核聚变堆的运行也是十分安全的。因此相对于目前正在使用的资源以及其它清洁能源，核聚变能具有安全性、经济性、持续性，环境友好型的特点。

实现受控聚变能源的商用是几代人的梦想,人类已经为此奋斗了50年，最有可能实现受控核聚变的方法之一是磁约束聚变。磁约束聚变是利用特殊形态的磁场把氘、氚等轻原子核和自由电子组成的、处于热核反应状态的超高温等离子体约束在有限的体积内，使它受控制地发生大量的原子核聚变反应，释放出能量。磁约束聚变是通过低密度长时间燃烧的方式实现氘氚等离子体的自持燃烧并将这种燃烧维持下去。世界上的磁约束聚变装置主要有三种类型，其中托卡马克最容易接近聚变条件而且发展最快。目前，我国磁约束聚变已经取得重大进展，我国正式参加了国际热核实验堆（ITER）项目的建设和研究；同时作为ITER与聚变示范堆（DEMO）之间的桥梁，我国正在自主设计、研发中国聚变工程实验堆（CFETR）项目。这些措施将使我国的磁约束聚变研究水平位于国际前列。然而，磁约束聚变还处于探索阶段，存在很多物理和工程技术方面的问题需要解决。

在未来，我国聚变发展战略将将瞄准国际前沿，广泛利用国际合作，夯实我国磁约束核聚变能源开发研究的坚实基础，加速人才培养，以现有中、大型托卡马克装置为依托，开展国际核聚变前沿课题研究，建立知名的磁约束聚变等离子体实验基地，探索未来稳定、高效、安全、实用的聚变工程堆的物理和工程技术基础问题。

图1 中国磁约束聚变（MCF）发展路线图示意图

研究方向

目前，国际磁约束聚变界的主要研究内容是ITER相关的各类物理与技术问题，且CFETR已经完成了概念设计并进入了实际的工程设计阶段。我们将利用这一契机，积极参与ITER/CFETR相关的物理、工程、模拟和相关关键技术的研究，将深圳大学建成知名的磁约束聚变等离子体实验基地，为中国核聚变事业贡献深圳力量。主要研究方向如下：

图2深圳大学李建刚院士工作站研究方向

其中，中美核聚变联合实验室将依托由美国德克萨斯大学引进的Helimak装置开展相关研究工作。Helimak是简单磁环装置，它的磁力线由纵场和均匀的极向场组成，近似为一维的模型，使用电子回旋波加热产生等离子体。其位形简单却接近理论模型,在其位形下的等离子体是一种相对冷的和低密度等离子体,有利于诊断；满足磁流体动力学；在研究非平衡系统过程中,等离子体本身的问题更为突出,适于研究低频的由于梯度导致的不稳定性以及在有磁力线弯曲和存在剪切条件下的涨落的形成过程，由此适用于研究横越磁场的输运机理研究。基于Helimak装置，我们将开展偏滤器等离子物理、先进等离子体诊断及等离子体与材料相互作用方面的研究。

图3李建刚院士及深圳大学徐晨副校长与Helimak装置合影