等离子体所在聚变电站主传热与能量转换系统研究方面取得新进展

近日，等离子体物理研究所郭斌团队系统梳理了聚变能发电的研究进展、核心挑战与解决路径。该成果以"A comprehensive Review of primary heat transfer and energy conversion systems in fusion power plants"为题在能源领域顶级期刊《Energy》发表重要综述文章。

聚变电站产生的热能主要分布于包层、偏滤器和真空室等部件，其出口温度范围广泛（约为150°C至1000°C以上），如何高效地将这种分布式、多品位的热能转化为电能，是聚变能商业化面临的核心挑战之一。针对现有研究中普遍将热能提取系统与发电系统视为相互独立子系统的研究框架，综述论文从系统集成与协同优化的角度出发，对取能与发电过程进行统一分析。

研究团队构建了一个基于热力学与系统集成准则的统一分析框架，并且系统回顾并对比了水冷、氦冷、液态金属冷却及熔盐冷却等主流主传热系统方案，重点剖析了不同冷却路径与下游能量转换系统之间的耦合机理与匹配特性。进一步地，论文在综合考虑热效率、㶲损失与运行灵活性的基础上，引入中子辐照、氚管理及材料相容性等聚变特有约束条件，对多种能量转换方案进行了评估，涵盖传统蒸汽朗肯循环、高温布雷顿循环（以氦气或超临界二氧化碳为工质）、联合循环以及混合有机朗肯循环等配置。

研究指出聚变反应堆部件与动力循环之间的温度失配会导致显著㶲损并降低整体效率，从而降低整体发电效率。为此，团队综合借鉴了ITER、DEMO、CFETR、STEP、EAST、SPARC、Wendelstein 7X、KSTAR等国内外主要聚变装置托卡马克、仿星器装置的设计与运行经验，旨在弥合概念设计与实际实验及长脉冲运行实践之间的鸿沟。研究展望了未来重点研究方向，包括布雷顿-朗肯/有机朗肯混合架构、多温区热源的梯级利用、先进工质开发，以及基于数字建模与机器学习的系统优化方法，以期显著提升未来稳态聚变反应堆的热效率与运行可靠性。

该综述为未来聚变电站高效、可靠能量转换系统的设计与集成提供了系统性理论支撑与技术参考，不仅为我国清洁能源转型与碳中和战略奠定了重要的科技基础，也为全球实现实用化、可持续的聚变能发电贡献了中国视角与中国方案。

该研究受到外交部青年项目、安徽省四一创新工程、所长青年基金、青年创新促进会以及聚变技术综合研究设施项目共同资助。

论文链接：doi.org/10.1016/j.energy.2025.139722

图1：聚变能提取与利用框架

图2：全球能源需求 

图3：系统维护频率与热效率

图4：基于各种动力循环的系统热效率