密度不夠溫度來(lái)湊 托卡馬克是什么原理？

在地球上開(kāi)展的一些可控核聚變研究的等離子體密度只有太陽(yáng)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(yīng)的發(fā)生幾率獲得較大提升，以便利用少量的聚變?nèi)剂暇湍墚a(chǎn)生足夠多的聚變能量。

3月15日，ITER(國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆)中國(guó)氦冷固態(tài)實(shí)驗(yàn)包層系統(tǒng)首個(gè)項(xiàng)目在中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院?jiǎn)?dòng)，標(biāo)志著我國(guó)在ITER上開(kāi)展產(chǎn)氚技術(shù)測(cè)試進(jìn)入具體實(shí)施階段。在之前不久，由江西省科研人員自主設(shè)計(jì)、制造及運(yùn)行的“人造太陽(yáng)”實(shí)驗(yàn)研究裝置——我國(guó)首個(gè)可實(shí)現(xiàn)壓縮融合啟動(dòng)等離子體電流的球形托卡馬克裝置(NCST)正式投入運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)首次成功放電。

江西省聚變能與信息控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士錢玉忠介紹，球形托卡馬克裝置內(nèi)部安裝有兩個(gè)上下對(duì)稱的極向場(chǎng)線圈，是我國(guó)首個(gè)可利用壓縮融合方式啟動(dòng)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(huán)境的特性，積極開(kāi)展交叉應(yīng)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(lái)喜訊，我們距離徹底掌握可控核聚變的奧秘還有多遠(yuǎn)?

實(shí)現(xiàn)可控核聚變克服庫(kù)侖排斥力是關(guān)鍵

正如我們已經(jīng)了解的，核能的釋放通常依托核聚變和核裂變兩種方式進(jìn)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(jì)五十年代初，蘇聯(lián)建成了世界上首座核電站，成功實(shí)現(xiàn)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(yīng)而生成較重的原子核。這個(gè)過(guò)程伴隨著質(zhì)量損失，根據(jù)愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程E=mc2，損失的這部分質(zhì)量會(huì)轉(zhuǎn)換成巨大的能量。以目前地球上最容易實(shí)現(xiàn)的氘氚聚變反應(yīng)為例，每公升海水可提取的氘(約0.03克)通過(guò)聚變反應(yīng)可釋放出相當(dāng)于燃燒300公升汽油產(chǎn)生的能量。

然而，由于原子核間均帶有正電荷，其相互間受庫(kù)侖排斥力作用，原子核間距離越近，這種排斥力就越強(qiáng)。只有當(dāng)相向運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)較輕原子核具有足夠高的能量時(shí)，才能克服庫(kù)侖排斥力，使得彼此靠得足夠近，以便讓短程核間吸引力發(fā)揮主要作用，最終聚合為一個(gè)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(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)，條件非?？量?。首先要達(dá)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(fā)生核聚變反應(yīng)的幾率;此外，高溫高密度條件必須維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間，才能讓核聚變反應(yīng)得以持續(xù)進(jìn)行。

通過(guò)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(lái)源，太陽(yáng)內(nèi)部隨時(shí)在進(jìn)行核聚變。在這一反應(yīng)過(guò)程中，其中心溫度只有1500萬(wàn)攝氏度左右。然而在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)可控核聚變，溫度卻需要達(dá)到1億攝氏度以上。二者為何會(huì)有這么大的差異?

中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院院長(zhǎng)段旭如解釋說(shuō)，太陽(yáng)的巨大質(zhì)量(約為地球的33萬(wàn)倍)導(dǎo)致其具有強(qiáng)大的引力，太陽(yáng)正是靠這種強(qiáng)大引力約束高溫的燃料離子，來(lái)實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)。

此外，雖然太陽(yáng)芯部的溫度只有1500萬(wàn)攝氏度左右，離子通過(guò)碰撞發(fā)生聚變反應(yīng)的幾率比1億攝氏度條件下聚變反應(yīng)的幾率要低得多，理論上在太陽(yáng)內(nèi)部單位質(zhì)量的燃料發(fā)生聚變的反應(yīng)率極低，平均1噸太陽(yáng)物質(zhì)只能產(chǎn)生瓦量級(jí)的功率。但因?yàn)樘?yáng)質(zhì)量非常大，即便發(fā)生聚變反應(yīng)是小概率事件，總體上太陽(yáng)內(nèi)部產(chǎn)生的核聚變反應(yīng)及能量仍非?？捎^。

目前，在地球上開(kāi)展的一些可控核聚變研究的等離子體密度只有太陽(yáng)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(yīng)的發(fā)生幾率獲得較大提升，以便利用少量的聚變?nèi)剂暇湍墚a(chǎn)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(huán)形真空室內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)。大量溫度超過(guò)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(yùn)動(dòng)，磁場(chǎng)越強(qiáng)回旋圓周運(yùn)動(dòng)的半徑越小。例如，在2萬(wàn)高斯的強(qiáng)磁場(chǎng)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(nèi)等離子體半徑為米量級(jí)。通過(guò)這種方式可將高溫等離子體長(zhǎng)時(shí)間地約束在具有強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)形真空容器內(nèi)，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(fā)生聚變反應(yīng)并釋放巨大能量。

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

為ITER實(shí)驗(yàn)運(yùn)行積累經(jīng)驗(yàn)

隨著目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國(guó)際科研合作項(xiàng)目之一——ITER計(jì)劃的啟動(dòng)，磁約束聚變研究已經(jīng)從原理探索、大規(guī)模實(shí)驗(yàn)逐步邁入到反應(yīng)堆工程物理實(shí)驗(yàn)階段，預(yù)計(jì)本世紀(jì)中葉將實(shí)現(xiàn)聚變能源的應(yīng)用。

ITER是國(guó)際上首個(gè)反應(yīng)堆規(guī)模的核聚變實(shí)驗(yàn)研究設(shè)施，也是各國(guó)聚變能發(fā)展路線圖中的關(guān)鍵設(shè)施。目前國(guó)際上正集中力量完成ITER采購(gòu)包等任務(wù)，并保障資源，確保ITER的成功建設(shè)與運(yùn)行。

段旭如告訴記者，現(xiàn)階段，國(guó)際上一方面利用現(xiàn)有的磁約束聚變研究裝置，開(kāi)展聚變等離子體物理、運(yùn)行及相關(guān)技術(shù)研究，尤其是與ITER相關(guān)的一些先行物理實(shí)驗(yàn)及有關(guān)技術(shù)研究;另一方面正在積極謀劃并開(kāi)展未來(lái)聚變堆關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)。

我國(guó)現(xiàn)有的主要磁約束聚變研究裝置包括已運(yùn)行多年的中國(guó)環(huán)流器二號(hào)A裝置(HL-2A)與EAST兩大托卡馬克裝置，以及華中科技大學(xué)的J-TEXT、清華大學(xué)的SUNIST、中科大的KTX等實(shí)驗(yàn)研究裝置。它們均為我國(guó)參加ITER建設(shè)及為聚變研究領(lǐng)域培養(yǎng)人才作出了貢獻(xiàn)。

2020年我國(guó)建成的規(guī)模大、參數(shù)高的先進(jìn)托卡馬克裝置中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M裝置(HL-2M)，采用了更先進(jìn)的結(jié)構(gòu)與控制方式，可實(shí)現(xiàn)高密度、高比壓、高自舉電流運(yùn)行，特別是具備在兆安級(jí)等離子體電流條件下實(shí)現(xiàn)多種先進(jìn)偏濾器位型的獨(dú)特能力。

“我國(guó)將充分利用這些裝置，為ITER實(shí)驗(yàn)運(yùn)行積累經(jīng)驗(yàn)，掌握相關(guān)技術(shù)，鍛煉和培養(yǎng)人才隊(duì)伍，為我國(guó)深度參與ITER計(jì)劃及未來(lái)自主設(shè)計(jì)建造聚變堆提供重要的技術(shù)支撐。”段旭如說(shuō)。(陳 瑜)

關(guān)鍵詞： 密度 溫度 托卡馬克裝置