可控核聚变如何制造终极能源




1957年，苏联，一项关于人类「终极能量」的研究计划秘密展开。

彼时，各大国研发核武器的竞赛焦灼进行，短短几年内，美、苏、英试爆氢弹成功。

人类都被这种庞大力量所震颤：核聚变（Nuclear Fusion）——目前人类技术所能触达的能量上限，也是太阳的能量来源。



在氢弹研究的同时，激进的苏联科学家们，想到了收集核聚变的能量的用于发电。

它能效极高、原料易得，几乎不产生污染，谁驾驭了这种力量，谁就有能力推动人类进入新纪元。

人类如何利用可控核聚变制造终极能源？



当氘原子和氚原子聚合，会生成两个质子和两个中子组成的氦原子，并释放一个多余的中子，产生约 17.6 MeV 的能量。1 克聚变核燃料释放的能量相当于 8 吨石油完全燃烧。

但要想在地球上和平地实现氘氚聚变，必须满足一个苛刻条件——劳森判据（Lawson Criterion），即密度、温度、约束时间的乘积达到3×10^21 keV·s·m^-3，这就需要将核燃料加热到 1 亿摄氏度以上，形成等离子体。



这是物体固、液、气之外的又一种状态，高温会使电子会摆脱原子核的束缚，形成自由粒子。

在等离子体中，电子带负电，失去电子的原子即离子带正电，它们均匀混合在一起，整体呈电中性。



但是，地球上没有任何一种材料能够承载 1 亿度的高温。不过利用磁场可以「隔空」约束它们，让它们悬浮起来。

在平直均匀的磁场中，粒子受洛伦兹力将沿着磁场方向做螺旋线运动，其中带正电的离子这样转，而带负电的电子这样转。



想要让核燃料等离子体无限运动下去，我们可以制造一个半径为 R 的环形磁场 B。根据安培环路定理，这需要用一组通电线圈排成这样的大环状。



然而在实际中，通电线圈内的磁场并不均匀，环路内侧比外侧半径小，导致内侧磁感应强度比外侧大，磁感应强度梯度 ▽B 指向圆环中心。



根据麦克斯韦方程，在真空中，磁感应强度梯度 ▽B 和弯曲磁场，会给粒子注入垂直于运动方向的动能 W⊥，和平行于运动方向的动能 W∥，让粒子们渐渐偏离磁感线方向，这一称现象被称为「粒子漂移」。

因为离子和电子的漂移方向相反，渐渐地，核燃料中的离子将聚集到上部，而电子将聚集到下部。



这个问题很致命。正负电荷的分离，将产生一个垂直向下的「幽灵」电场E。它将和环向磁场 B 共同作用，对粒子产生一个指向螺线管外的速度分量，上亿度的核燃料将会被甩出来。

该怎么办？

这时就需要第二组通电线圈，套在环形磁场 B 外。它可以产生一个竖直方向的磁场 B'，B 和 B' 两个磁场合成一个环绕大轴的螺旋形磁场。



聚集在下部的电子可以沿着螺旋磁场转到上部与离子混合，同样聚集在上部的离子也可以转到下部。粒子们搅拌均匀，「幽灵」电场 E 就消失得无影无踪。

参考《计算等离子体物理导论》，我们用 MATLAB 模拟了理想状态下核燃料粒子的其中一种运动轨迹。在不考虑粒子间相互作用的前提下，粒子沿着这样的轨迹悬浮运动，完全不会泄漏出来。



成功束缚住核燃料后，就要考虑核燃料的点火和加热了。

这需要在装置中心添加第三组通电线圈——中心螺管线圈。它能够提供一个穿过核燃料环快速变化的磁通，在核燃料中感应出一个环向电动势，击穿形成等离子体，并在其内部产生感应电流。

电流产生的欧姆热能使得核燃料不断增温，配合射频电磁波和中性粒子束注入等各种辅助加热手段，最终使核燃料达到 1 亿度聚变条件，点燃人造太阳。



这就是托卡马克（Токамак），一种最有可能让人类实现可控核聚变的构型。由苏联科学家在上世纪50年代提出，取自环形（тороидальная）、真空室（камера）、磁（магнитных）、线圈（катушках）四个俄文词的缩写。



1958 年，苏联研制成功人类第一个托卡马克装置 T-1。十年后，苏联向外界披露，最新版托卡马克装置 T-3 实现了 1000 万摄氏度等离子体放电，震惊了全世界。

从此，托卡马克作为实现可控核聚变的最主要「科技树」，被各国采纳并沿用。

2018 年 7 月，中国自主研制的全超导托卡马克装置 EAST「东方超环」，首次实现电子温度 1 亿摄氏度运行近 10 秒。



为此，我们现场连线了中科院等离子体物理研究所的王腾博士，请他给我们介绍一下 EAST 相较于以往托卡马克装置的特别之处。

王腾：为了实现对超高温等离子体的长脉冲约束，「东方超环」EAST 首次将托卡马克中线圈，全部采用铌钛超导材料绕制。这些线圈工作在零下 269 摄氏度的超低温中，从而进入超导态能够产生约束的强磁场并保持足够长的时间，从而大幅提升装置性能。

一边是零上 1 亿度的超高温等离子体，另一边是零下 269 度的超低温线圈。二者之间最近距离，只隔了短短 1 米左右。如此大的温差在人类创造史上绝无仅有。



未来的下一步，就是将托卡马克扩展为能够取出能量用于发电的聚变反应堆。

这张图介绍了聚变反应堆的一种可能的构型，利用氘氚聚变产生的中子轰击外侧包层中的氘化锂-6，可持续产生自然界相对不易获得的氚，并维持聚变。

随着未来外太空采矿技术发展，还可以利用月壤中广泛存在的氦-3 代替氚，使聚变更高效。



聚变能量被热交换装置取出后，推动汽轮机转动最终发出电能。

中国计划在 2035 年建成「聚变工程试验堆」。如果一切顺利，「聚变商业示范堆」将在 2050 年落成。相信在不远的未来，人类驯化核聚变将成为现实。



而回到当下，中国的 EAST「东方超环」将于近期完成升级改造，挑战芯部电子温度 1 亿度稳定运行 100 秒的世界纪录，将中国的可控核聚变技术推向新高度。

燃烧吧！人造太阳！





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