托卡馬克裝置內部為何熱過太陽 實現可控核聚變克服庫侖排斥力是關鍵

在地球上開展的一些可控核聚變研究的等離子體密度只有太陽芯部密度的約千億分之一，因此必須將等離子體加熱到上億攝氏度高溫，才能使聚變反應的發生幾率獲得較大提升，以便利用少量的聚變燃料就能產生足夠多的聚變能量。

3月15日，ITER(國際熱核聚變實驗堆)中國氦冷固態實驗包層系統首個項目在中核集團核工業西南物理研究院啟動，標志著我國在ITER上開展產氚技術測試進入具體實施階段。在之前不久，由江西省科研人員自主設計、制造及運行的“人造太陽”實驗研究裝置——我國首個可實現壓縮融合啟動等離子體電流的球形托卡馬克裝置(NCST)正式投入運行并實現首次成功放電。

江西省聚變能與信息控制重點實驗室博士錢玉忠介紹，球形托卡馬克裝置內部安裝有兩個上下對稱的極向場線圈，是我國首個可利用壓縮融合方式啟動等離子體電流的球形托卡馬克裝置。江西省將圍繞球形托卡馬克裝置模擬太空輻照環境的特性，積極開展交叉應用研究。

托卡馬克是什么原理，為什么能夠釋放巨大能量?隨著托卡馬克核聚變裝置研究頻頻傳來喜訊，我們距離徹底掌握可控核聚變的奧秘還有多遠?

實現可控核聚變克服庫侖排斥力是關鍵

正如我們已經了解的，核能的釋放通常依托核聚變和核裂變兩種方式進行。

核裂變是將較重的原子核分裂為較輕的原子核并釋放能量。二十世紀五十年代初，蘇聯建成了世界上首座核電站，成功實現了基于核裂變的核能和平利用。

核聚變是將較輕的原子核聚合反應而生成較重的原子核。這個過程伴隨著質量損失，根據愛因斯坦質能方程E=mc2，損失的這部分質量會轉換成巨大的能量。以目前地球上最容易實現的氘氚聚變反應為例，每公升海水可提取的氘(約0.03克)通過聚變反應可釋放出相當于燃燒300公升汽油產生的能量。

然而，由于原子核間均帶有正電荷，其相互間受庫侖排斥力作用，原子核間距離越近，這種排斥力就越強。只有當相向運動的兩個較輕原子核具有足夠高的能量時，才能克服庫侖排斥力，使得彼此靠得足夠近，以便讓短程核間吸引力發揮主要作用，最終聚合為一個較重的原子核，并釋放出高能量的中子。

相較于核裂變，在地球上要實現核聚變反應，條件非常苛刻。首先要達到上億攝氏度高溫;還要讓燃料維持足夠高的密度，以提高原子核之間碰撞并發生核聚變反應的幾率;此外，高溫高密度條件必須維持足夠長的時間，才能讓核聚變反應得以持續進行。

通過磁約束核聚變釋放巨大能量

作為地球生命賴以生存的能量來源，太陽內部隨時在進行核聚變。在這一反應過程中，其中心溫度只有1500萬攝氏度左右。然而在實驗室實現可控核聚變，溫度卻需要達到1億攝氏度以上。二者為何會有這么大的差異?

中核集團核工業西南物理研究院院長段旭如解釋說，太陽的巨大質量(約為地球的33萬倍)導致其具有強大的引力，太陽正是靠這種強大引力約束高溫的燃料離子，來實現核聚變反應。

此外，雖然太陽芯部的溫度只有1500萬攝氏度左右，離子通過碰撞發生聚變反應的幾率比1億攝氏度條件下聚變反應的幾率要低得多，理論上在太陽內部單位質量的燃料發生聚變的反應率極低，平均1噸太陽物質只能產生瓦量級的功率。但因為太陽質量非常大，即便發生聚變反應是小概率事件，總體上太陽內部產生的核聚變反應及能量仍非常可觀。

目前，在地球上開展的一些可控核聚變研究的等離子體密度只有太陽芯部密度的約千億分之一，因此必須將等離子體加熱到上億攝氏度高溫，才能使聚變反應的發生幾率獲得較大提升，以便利用少量的聚變燃料就能產生足夠多的聚變能量。

以托卡馬克為代表的磁約束核聚變是可控核聚變的一種。段旭如告訴記者，這一裝置利用通有大電流的線圈，在環形真空室內產生強磁場。大量溫度超過1億攝氏度、在高溫下電離成由電子和離子組成的等離子體的燃料將沿磁力線做回旋圓周運動，磁場越強回旋圓周運動的半徑越小。例如，在2萬高斯的強磁場條件下，1億攝氏度高溫的等離子體中離子的回旋半徑只有幾毫米，而目前大型的托卡馬克裝置真空室內等離子體半徑為米量級。通過這種方式可將高溫等離子體長時間地約束在具有強磁場的環形真空容器內，并且不跟真空室器壁直接接觸。在這種極端條件下，燃料離子將發生聚變反應并釋放巨大能量。

磁約束核聚變產生的能量主要通過高能量的α粒子(氦原子核)和高能量的中子釋放出來。其中，高能量α粒子所攜帶的能量主要用于加熱聚變燃料(等離子體)，以維持聚變反應所需的上億度的高溫，而高能量的中子則在環繞真空容器內的包層部件中被慢化，其能量沉積在包層內，并通過熱交換的方式由介質將能量導出，把熱能輸送到裝置外部，最后通過汽輪機將熱能轉化為電能，輸送到外電網中以提供能源。

為ITER實驗運行積累經驗

隨著目前全球規模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一——ITER計劃的啟動，磁約束聚變研究已經從原理探索、大規模實驗逐步邁入到反應堆工程物理實驗階段，預計本世紀中葉將實現聚變能源的應用。

ITER是國際上首個反應堆規模的核聚變實驗研究設施，也是各國聚變能發展路線圖中的關鍵設施。目前國際上正集中力量完成ITER采購包等任務，并保障資源，確保ITER的成功建設與運行。

段旭如告訴記者，現階段，國際上一方面利用現有的磁約束聚變研究裝置，開展聚變等離子體物理、運行及相關技術研究，尤其是與ITER相關的一些先行物理實驗及有關技術研究;另一方面正在積極謀劃并開展未來聚變堆關鍵技術的研發。

我國現有的主要磁約束聚變研究裝置包括已運行多年的中國環流器二號A裝置(HL-2A)與EAST兩大托卡馬克裝置，以及華中科技大學的J-TEXT、清華大學的SUNIST、中科大的KTX等實驗研究裝置。它們均為我國參加ITER建設及為聚變研究領域培養人才作出了貢獻。

2020年我國建成的規模大、參數高的先進托卡馬克裝置中國環流器二號M裝置(HL-2M)，采用了更先進的結構與控制方式，可實現高密度、高比壓、高自舉電流運行，特別是具備在兆安級等離子體電流條件下實現多種先進偏濾器位型的獨特能力。

“我國將充分利用這些裝置，為ITER實驗運行積累經驗，掌握相關技術，鍛煉和培養人才隊伍，為我國深度參與ITER計劃及未來自主設計建造聚變堆提供重要的技術支撐。”段旭如說。(陳 瑜)