聚变能源具有资源丰富和近无污染的优点，成为人类社会未 来的理想能源，是最有希望彻底解决能源问题的根本出路之一， 对于我国经济社会的可持续发展具有重要的战略意义，是关系长 远发展的基础前沿领域。

本专项总体目标是： 在“十四五”期间，以未来建堆所涉及 的国际前沿科学和技术目标为努力方向，加强国内与“国际热核 聚变实验堆”（ ITER ）计划相关的聚变能源技术研究和创新，发 展聚变能源开发和应用的关键技术，以参加 ITER 计划为契机， 全面消化吸收关键技术； 加快国内聚变发展，开展高水平的科学 研究； 以我为主开展中国聚变工程试验堆（CFETR ）的详细工程 设计，依托我国的“东方超环”（EAST ）、“中国环流器 2 号改进 型”（ HL-2M ）托卡马克装置开展与 CFETR 物理相关的验证性实 验，为 CFETR 的建设奠定科学基础。加大聚变技术在国民经济 中的应用，大力提升我国聚变能发展研究的自主创新能力，培养 并形成一支稳定的高水平聚变研发队伍。

2021 年度指南以聚变堆未来科学研究为目标，加快国内聚变 发展，重点支持高水平的科学研究、实验研究、CFETR 关键技术 预研及聚变堆部件研发等工作，继续推动我国磁约束核聚变能的

基础与应用研究，拟支持 17 个项目，拟安排国拨经费概算 3.7 亿 元。同时，拟支持 16 个青年科学家项目，拟安排国拨经费概算 3200 万元，每个项目 200 万元。

指南方向 1– 17 项目应整体申报，须覆盖相应指南方向的全 部研究内容和考核指标。同一指南方向下，原则上只支持 1 项， 仅在申报项目评审结果相近、技术路线明显不同时，可同时支持 2 项，并建立动态调整机制，根据中期评估结果，再择优继续支 持。项目实施周期一般为 5 年。项目下设课题数不超过 4 个，每 个项目参与单位总数不超过 6 家。项目设 1 名负责人，每个课题 设 1 名负责人。

指南方向 18–21 是青年科学家项目，支持青年科研人员承担 国家科研任务。项目实施周期一般为 5 年。青年科学家项目不再 下设课题，项目参与单位总数不超过 3 家。项目设 1 名项目负责 人，对于青年科学家项目负责人年龄要求，男性应为 1986 年 1 月 1 日以后出生，女性应为 1983 年 1 月 1 日以后出生，原则上 团队其他参与人员年龄要求同上。

1.  托卡马克千秒量级实验研究

研究内容： 面向未来磁约束聚变堆长时间运行面临的挑战， 发展托卡马克超长脉冲高参数等离子体放电和装置安全运行技 术，研究远超壁平衡时间尺度的关键物理过程，在此基础上探索 提升和长时间维持等离子体高参数运行的途径，促进成果在 ITER 未来运行、科学研究中的应用。

考核指标： 实现稳定、可控的等离子体高参数放电，并同时 满足： （ 1 ）等离子体运行时间>1000 秒； （2 ）中心电子温度一 亿度； （3 ）线平均密度>1.5×1019/m3。

2.  提升聚变等离子体平均压强的实验研究

研究内容： 依托国内磁约束核聚变研究装置，获得高性能等 离子体，着力拓展聚变三乘积空间，提升我国磁约束聚变等离子 体的综合品质。在等离子体强电流、大拉长比、高加热功率条件 下，开展多种加热/驱动手段功率耦合机制及粒子和能量约束改善 机制研究，探寻提高等离子体聚变三乘积的有效方案； 为未来聚 变堆高参数运行及稳定控制提供物理基础和技术积累。

考核指标： 在磁约束聚变装置上获得高性能等离子体，并同 时满足：（ 1 ）等离子体储能大于 0.5MJ；（2 ）聚变三乘积达到目 前国内磁约束聚变装置已实现数值的 3 倍以上、维持时间不小于 能量约束时间。

3. ITER 国际托卡马克物理活动-偏滤器/刮削层实验研究

研究内容： 参考 ITER 研究计划和第一阶段运行的需求，针 对类 ITER 物理条件下边界/刮削层和偏滤器热流/粒子流稳态控 制面临的主要挑战，在 ITER 国际托卡马克物理活动（ITPA ）框 架下，聚集国内力量从技术、实验、理论、模拟多方面力量，开 展偏滤器/刮削层（Div/SOL ）专题边界输运、粒子输运等方面的 国际联合研究，显著提升我国在 ITPA（Div/SOL ）专题科学研究 中的参与度和贡献。

考核指标： 在 ITPA Div/SOL 专题组新增 1 到 2 项由我国科 研人员/装置主导的 ITPA 联合实验研究，所有联合实验研究的总 体参与度达到 50%，ITPA 专题报告每年不少于两次。

4.  ITER 托卡马克物理活动-磁流体不稳定性/破裂实验研究

研究内容： 针对未来 ITER 实验与稳态安全运行的需求，在 国际托卡马克物理活动（ITPA ）的框架下，汇聚国内力量与资源 从技术、实验、理论、模拟多方面参与和主导磁流体不稳定性/ 破裂（MHD/Disruption ）专题组的国际联合研究任务。在磁流体 不稳定性控制特别是破裂预测、缓解和抑制这一 ITPA 重点研究 领域开展研究，显著提升我国在 ITPA（MHD/Disruption ）专题的 参与度和贡献。

考核指标： 在 ITPA MHD/Disruption 专题组新增加 1~2 项由 我国研究人员/装置主导的联合实验，所有联合实验的总体参与度 达到 50%，ITPA 专题报告每年不低于 2 次。

5. ITER 相关高极向比压等离子体物理问题的研究

研究内容： 充分利用国内外磁约束聚变领域的研究能力和资

源，瞄准未来磁约束聚变堆高约束稳态运行目标所面临的一系列 重大挑战，以高极向比压运行模式及其相关等离子体约束与稳定 性、边界物理兼容方面的科学技术前沿问题为重点，通过实验、 理论、模拟的国际合作研究，探索其与 ITER 和未来磁约束聚变堆 条件/环境相兼容的物理基础和实验方法。

考核指标： 在高极向比压等离子体研究方面，利用国际资源

开展的合作研究实验任务不低于 10 个，以我国资源为主开展的 合作研究实验任务不低于 10 个。

6.  ITER 相关的聚变堆边缘区域物理问题研究

研究内容： 依托国内外先进托卡马克装置，通过广泛的国际 合作开展等离子体边缘区域物理行为的联合实验与理论模拟研 究。主要考察高约束、高比压（βN>2.5 ）条件下，等离子体边缘 区域湍流发生机理、演化特性和控制技术及边缘三维扰动场物理 效应刮削层与边缘区等离子体耦合等关键物理问题的研究，为 ITER 边界等离子体研究提供物理支持。通过国际合作，进一步提 升我国在磁约束聚变等离子体边缘物理方面的研究水平，培养国 际化人才，为深度参与 ITER 实验及聚变堆设计提供技术支撑和 人才储备。

考核指标： 在聚变堆边缘区域物理研究方面，我国科研人员 参与国外聚变装置实验任务不低于 10 项，国外科研人员实质参 加国内实验任务不低于 10 项。

7. 非托卡马克等离子体性能改善的新方法和新技术研究

研究内容： 针对传统托卡马克以外的磁约束聚变途径（如仿 星器、球形环等），开展旨在提升等离子体约束性能、增强等离子 体宏观和微观稳定性的新方法和新技术探索研究。发展三维成形 技术提升宏观磁流体稳定性、优化仿星器中约束/输运； 提出实现 更好的快粒子约束的新策略； 发展波与等离子体相互作用的新方 法，实现波对等离子体启动和有效维持； 研究热壁或全金属壁条

件下等离子体与壁相互作用； 研究环径比等参数对约束和输运的 影响等。

考核指标：（ 1 ）给出仿星器位形三维成形技术的优化方案， 评估优化方案对等离子体湍流输运和新经典输运及宏观磁流体稳 定性的影响；（2 ）在理解和控制快粒子重分布方面有新的进展； （3 ）实现波对等离子体有效启动和维持；（4 ）定性评估热壁对等 离子体与壁相互作用的影响。

8. 高分辨热相干散射、 安全因子、 中子探测诊断技术研究

研究内容： 依托 HL-2M、EAST 等国内磁约束聚变装置开展 聚变堆关键等离子体参数诊断技术研究。 自主发展热相干散射测 量技术，提供高时空分辨的等离子体离子及α粒子的温度、密度 参数； 发展基于激光和微波的技术，对等离子体位移和中心安全 因子进行快速实时监测； 自主研发高时空分辨的中子探测阵列， 实时监测中子时空变化，提供离子动理学信息。

考核指标：（ 1 ）研制热相干散射诊断系统： 等离子体离子密 度测量范围>1019 m-3，主离子温度测量误差为±15%，时间分辨率 为 5 微秒，空间分辨率为 2 厘米，重复频率为 20Hz；（2 ）研发基 于激光或微波技术对等离子体位移和密度及中心安全因子快速监 测系统： 等离子体密度测量范围为 1018~1021 m-3，中心安全因子 快速监测误差为±10%，等离子体位移测量误差为±2 厘米，时间 分辨率为 1 微秒，空间分辨率为 2 厘米；（3 ）研发高时空分辨中 子探测阵列： 中子能量分辨率为 5%@2.45 MeV，时间分辨率小

于 50 毫秒，主离子温度测量精度优于 20%。

9.  聚变堆等离子体加料、离子加热模块研发

研究内容： 面向聚变堆高能量增益运行，开展稳态运行下等 离子体关键物理过程及其对等离子体整体性能影响的数值模拟研 究。针对不同能量增益因子（Q 在 5 到 30 之间） 的聚变堆氘氚运 行过程，建立高能量增益条件下加料及离子加热等关键物理过程 的模型，自主研发聚变堆高能量增益氘氚运行的加料与离子加热 模块，为未来聚变堆自主集成模拟平台建设提供支撑。

考核指标：（ 1 ）开发出具有完全独立自主知识产权和先进物 理模型、可用于集成模拟聚变堆氘氚运行的加热及离子加热模块， 并与 TFTR/JET 氘氚实验数据进行比对、验证；（2 ）根据目前 CFETR 装置尺寸，给出 CFETR 高能量增益（Q>20 ）、高聚变功 率（2GW ）运行的模拟结果。

10. 提升聚变堆等离子体密度参数的关键问题研究

研究内容： 以揭示环形磁约束等离子体密度极限的关键物理 机制、实现未来聚变堆高密度运行为目标，研究限制托卡马克等 离子体密度提升的关键因素和主要物理机制，探索聚变堆等离子 体高参数运行条件下进一步提高等离子体密度的新理论、新技术、 新方法。

考核指标：（ 1 ）揭示国内外托卡马克实验的一些放电过程中 等离子体密度超过 Greenwald 极限的原因及参数依赖关系，解释 其主要物理机制；（2 ）提出放电过程中密度可超过 Greenwald 极

限的创新性理论模型，并进行实验验证；（3 ）在国内托卡马克装 置上实现密度超过 Greenwald 极限的等离子体放电。

11. CFETR 结构材料中聚变中子辐照致氢氦协同效应的等效 模拟方法

研究内容： 针对聚变中子辐照时结构材料中的氢氦协同损伤 效应，通过大尺度计算模拟方法与物理模型，建立不同剂量率与 氢氦产生率条件下结构材料中辐照肿胀的理论模型及定量等效关 系，并利用多离子束辐照实验验证等效关系的可靠性； 利用多离 子束辐照，建立模拟结构材料中离位缺陷与氢/氦协同损伤作用的 等效实验方法，并利用现有低剂量聚变中子、裂变中子及散裂中 子辐照的材料肿胀数据予以验证； 根据 CFETR 设计参数中 10 ～ 50 dpa 的聚变中子辐照剂量，利用建立的多离子束等效实验模拟 方法，获得若干 CFETR 候选国产包层结构材料的等效聚变中子 辐照的肿胀数据，并对其应用条件进行评估。

考核指标：（ 1 ）利用多离子束同时辐照实验，验证所建立的 辐照离位缺陷与氢氦协同效应致肿胀、屈服强度等力学性能的理 论模型与等效关系，误差在30%以内；（2 ）利用现有低剂量聚变 中子、裂变中子（Fe基合金中含Ni等嬗变元素） 和散裂中子辐照 的实验数据，验证所建立的多离子束同时辐照模拟聚变中子辐照 致材料肿胀的等效实验方法，误差在30%以内；（3 ）在10 ～ 50 dpa 及相应的H 、He含量条件下，利用上述理论与实验模拟方法，获

得2 ～ 3种国产先进结构材料在不同温度下等效的辐照肿胀等性能 退化数据。

12.  聚变堆材料小尺寸样品力学性能标准化测试技术与评价 方法

研究内容： 针对聚变堆耐高温抗辐照候选材料研发与性能快 速评价的迫切需求，开展辐照材料小/微尺寸样品相关力学性能测 试技术研究，发展聚变堆中子辐照小样品的力学性能标准化测试 技术与评价方法； 开展微样品的系列载能离子辐照与力学性能测 试实验并结合数值模拟，建立微米及亚毫米尺寸微样品材料力学 性能（如辐照硬化/脆化） 的标准化实验与评价方法； 建立小/微 样品与标准样品之间力学性能的定量对应关系； 建立小/微样品力 学性能测试分析的技术规范。

考核指标：（ 1 ）获得系统的聚变堆候选结构材料的各项机械 性能随尺寸变化的系统实验数据及与标准试样的对应关系，并完 善现有的理论模型；（2 ）建立2 ～ 3项反应堆中子辐照后小样品材 料力学性能的标准化测试技术，辐照剂量不低于3 dpa；（3 ）建立 微样品的离子辐照与力学性能测试的标准化实验技术与方法，辐 照剂量不低于10 dpa，辐照损伤深度范围大于10微米；（4 ）建立

聚变堆结构材料小/微样品力学性能的测试分析规范，形成2项以 上行业标准。

13.  液固复合构型第一壁部件研发

研究内容： 根据 CFETR 和未来聚变电站对第一壁部件服役 性能的要求，研制出可循环更新的钨基多孔毛细结构及基于 3D 打印的底板液态锂膜流偏滤器靶板部件，能经受长时高通量粒子 流的辐照考验； 研究强磁场环境下流动液态金属在新型偏滤器固 体部件表面的浸润和流体流动及传热行为； 研究强磁场、高密度 氢氦等离子体辐照下热屏蔽、再循环机制，并进行可控的台面实 验研究； 提出液态锂回路中氢同位素在线测量、回收与锂再循环 方案。

考核指标：（ 1 ）所研制的液态锂-钨基多孔毛细结构的复合偏 滤器靶板部件，可承受粒子通量密度不小于 1024m-2s-1 氢氦等离子 体流辐照实验验证，液态锂的稳定流动时间超过 1000 秒；（2 ） 完成聚变堆环境强磁场及热流密度参数环境下，固-液复合偏滤器 整体热流问题的理论建模； 阐明锂蒸汽云对热负荷和粒子的屏蔽 效应及机制，实现固体材料在高通量等离子体和高热负荷运行环 境下辐照损伤的有效屏蔽。

14. CFETR 偏滤器靶板实验件研制及长时间考核研究

研究内容： 针对未来聚变堆偏滤器靶板长时间、高热负荷、 高粒子通量的实际工况，研发针对 CFETR 条件下使用的第一壁 材料（纳米钨、合金钨）、ODS 铜热沉、高效热去除冷区通道集 一体的偏滤器靶板实验件，开展长时间、高热负荷、高粒子流通 量的综合测试研究，为未来 CFETR 偏滤器靶板部件制备提供可 选方案。

考核指标：（ 1 ）形成批量化材料制备工艺和方案： 其中第一 壁材料采用抗溅射先进钨基材料、热沉使用 ODS 铜、靶板使用 先进可靠高热负荷去除能力设计，材料形成批量化制备工艺和方 案。（2 ）提供 2 个同时满足下列条件的合格样品： ①样品在 10MW/m2 热负荷条件下，表面温度不大于 1000OC；2000 次热循

环条件下，热传导性能退化不大于 3%。②样品在 1×1024/sm2 等 离子体粒子通量条件下，持续辐照24 小时，表面溅射小于 0.5mm， 偏滤器靶板表面不开裂，热负荷测试依然满足条件 2 测试指标。

15.  聚变 CICC 高温超导磁体关键技术发展及磁体研制

研究内容： 针对未来聚变堆中心螺管磁体（CS ）运行工况， 研制高性能高温超导磁体所需的高性能长带材，参数达到国际先 进水平； 制备可用于未来聚变堆磁体所需的 CICC 导体； 研制高 温超导 CICC 磁体； 开展模拟未来 CS 运行波形条件下低温超导 实验，为未来聚变高温超导磁体的使用提供可行性方案，实现设 计、材料、导体、磁体、实验所有过程的全部国产化。

考核指标： （ 1 ）高温超导带材： 单位宽度临界电流

Ic>1000A/@4.2K、10T（垂直场、4mm 宽带材），Ic > 700A/@4.2K、

15T（垂直场、4mm 宽带材）； 单根带材长度 > 500m，整长度上  载流偏差< ±10%；（2 ）CICC 导体： 分流温度大于 10K/@15T 、 15kA；（3 ）CICC 磁体： 运行电流大于 15kA，储能大于 20kJ；（4 ） 磁体实验： 最大磁场变化率 2.5T/s，磁体运行温度： 4.5K。

16. CFETR 氦冷包层氚增殖比高精度评估与实验验证

研究内容： 针对 CFETR 氦冷包层氚增殖比的高精度设计需

求，开展氦冷包层氚增殖比工程影响因素分析，建立包层氚增殖 比的中子学检验方法与评价技术，提出包层氚增殖比中子学验证 评估规范。研制基于 CFETR 氦冷包层设计方案的、具有工程相 似性的缩比实验模块，利用D-T 中子源开展聚变中子产氚率实验， 给出铍材料前后的中子能谱，掌握高精度产氚率测量技术，获得 包层氚增殖比评价结果，为准确判断氚“自持”性能提供支持。

考核指标：（ 1 ）基于铍倍增剂的工程化包层缩比实验模块 1

套，模块体积缩比度≥1:50，其中固态增殖剂球床 Li-6 丰度≥ 90%、径向结构与包层设计方案的相似度>95%；（2 ）提供中子能 谱分布与产氚率数据，产氚率测量不确定度<4.0%。

17. 磁约束聚变堆排放气氛氚测量与捕集技术研究

研究内容： 针对磁约束聚变堆主机真空室壁处理及燃料加注 和氚工厂系统运行过程所产生大量氚污染气体的安全排放问题， 开展低浓度含氚氢同位素气氛、氮气氛、氩气氛及空气气氛等各 种环境流出气氛的在线氚测量、高效氚捕集回收工艺技术研发；  通过氢、氘并结合百居里级氚实验验证，综合平衡高可靠性、经 济性和效率的关系，优化概念设计； 研制催化剂、吸气剂等关键 材料及系列在线氚测量仪、循环风机、氚喷淋-洗脱柱等关键装备。 解决 5000m3/h 级大流量下高效、经济氚捕集的关键工程问题。

考核指标：（ 1 ）气源对象应至少包含氢同位素气氛、氮气氛、

氩气氛（含氧、水汽等杂质） 及空气气氛，单流程总氢同位素或 氚的去除率≥99.9%，排放尾气中氚浓度<100MBq/m3；（2 ）系列 在线氚监测仪测量范围涵盖 10kBq/m3~100TBq/m3，1GBq/m3 附近氚 浓度的测量精度优于 10%，本底信号漂移量局限在数倍范围，高 浓氚测量后至本底恢复时间<10min；（3 ）吸气柱中元素单质态氢 同位素的回收率>95%；（4 ）氚测量仪、循环风机、氚喷淋-洗脱 柱等关键装备的国产化率不低于 90%。

18. 托卡马克粒子再循环物理过程若干关键问题研究

研究内容： 针对 ITER 国际托卡马克物理活动（ITPA ）关注 的粒子再循环过程，特别是刮削层的粒子再循环问题，依托我国 EAST 和 HL-2A/M 托卡马克实验装置，通过实验、理论、数值模 拟，研究粒子再循环过程中若干关键科学技术问题。

考核指标（完成下列目标之一）：（ 1 ）在托卡马克刮削层粒子 再循环对低-高约束模式转换及边界湍流输运影响的物理实验或 理论研究方面获得重要进展；（2 ）在托卡马克粒子再循环对脱靶 影响的实验或理论研究方面取得重要进展；（3 ）研究出一种粒子 再循环过程诊断的新方法或新技术；（4 ）研究出一种可控制刮削 层粒子再循环过程的新方法或新技术；（5 ）建立刮削层粒子再循 环过程新模型并开发出相关的数值模拟程序。

19. 托卡马克离子回旋波加热/驱动若干关键问题研究

研究内容： 针对离子回旋频段射频波加热/驱动在托卡马克上 有效应用的关键物理和技术问题，开展波耦合、波在刮削层损失、

波与等离子体相互作用过程的理论、模拟、实验和技术研究。鼓 励开展天线-馈线（包括真空室内相关结构）新概念和新技术研究， 发展新的相关诊断，开展离子回旋加热/驱动模式的创新研究。

考核指标（完成下列目标之一）：（ 1 ）提出新的离子回旋共振 加热相关的理论模型；（2 ）建立离子回旋加热的新模型并开发出 有自主知识产权的数值模拟程序；（3 ）研发出新的离子回旋射频 天线、馈线设计技术；（4 ）研发出可诊断离子回旋加热效果的新 测量技术；（5 ）在离子回旋加热物理方面获得新的、有意义的实 验结果。

20.  第一壁材料表面杂质原位测量、去除与修复技术

研究内容： 针对磁约束聚变堆等离子体辐照第一壁材料表面 产生的结构损伤与氢同位素、氦等杂质渗透问题，开展壁材料表 面成分与形貌原位测量、驻留杂质原位去除以及结构损伤修复技 术研究，发展先进的等离子体在壁材料中输运动态观测实验技术。

考核指标（完成下列目标之一）：（ 1 ）在强流氢氦等离子体辐 照第一壁材料产生渗透现象的动态观测技术方面有创新；（2 ）研 究出一种远程、原位、近无损、定量检测第一壁表面氢的同位素 及氦、氩、氮等杂质元素方法；（3 ）研究出一种第一壁表面形貌 的远程观测方法，能较好地分辨溅射蚀坑、夹杂及再沉积物等结 构缺陷；（4 ）研究出一种在较低温度下原位、高效去除第一壁表 面氢同位素的方法；（5 ）研究出一种第一壁材料表面坑洞原位修 复技术，修复区的热、力性能接近基材。