在全球氣候變化的時(shí)代，以及對(duì)人類(lèi)長(zhǎng)期依賴(lài)化石能源的擔(dān)憂(yōu)，許多人認(rèn)為解決方案在于替代能源，找到一個(gè)化石能源的替代能源，可以幫助我們減緩氣候問(wèn)題，因此核裂變能源應(yīng)運(yùn)而生?，F(xiàn)在我們所有的核電站都是以核裂變反應(yīng)為基礎(chǔ)的，也就是以可控的方式將重原子分裂成較輕的結(jié)構(gòu)。盡管有了化石能源的替代能源，但是核電站或者說(shuō)核裂變有很多安全問(wèn)題，比如說(shuō)燃料是放射性的，廢料的處理也一直是一個(gè)問(wèn)題，另外核災(zāi)難事故也表明核電站造成的損失很高……
放射性核廢料桶
核聚變更清潔，燃料也有更便宜，更豐富的來(lái)源，科學(xué)家可以從水中提取一種叫做氘的氫同位素，而這個(gè)過(guò)程中只有氦作為廢物產(chǎn)生。如果核聚變技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)并發(fā)揮其全部潛能，這將是一種無(wú)休止的，無(wú)排放的能源。有很多科幻作品都以核聚變?yōu)橹饕茉?，核聚變可以說(shuō)是未來(lái)能源的一個(gè)道路。不過(guò)，盡管科學(xué)家們進(jìn)行了數(shù)十年的工作，大規(guī)模商用核聚變?nèi)匀皇且粋€(gè)夢(mèng)想。
核電站
這不是因?yàn)椴豢赡軐?shí)現(xiàn)，而是按照高能粒子物理標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)甚至很難實(shí)現(xiàn)持續(xù)的聚變反應(yīng)，也就是無(wú)法一直持續(xù)其過(guò)程，也可以理解為產(chǎn)生的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于啟動(dòng)和維持該過(guò)程所需的能量。說(shuō)到聚變反應(yīng)，我們大家一定都知道這個(gè)例子——?dú)鋸?，氫彈的威力大約是普通原子彈的1000倍。氫彈聚變反應(yīng)所需的氫同位素被放置在普通裂變彈周?chē)?。裂變炸彈爆炸的釋放可以為聚變過(guò)程提供活化能（引發(fā)或開(kāi)始反應(yīng)所必需的能量）所需的能量。
小型氫彈爆炸實(shí)驗(yàn)
以核聚變能源角度來(lái)說(shuō)，這不是什么新的概念，在我們的太陽(yáng)上無(wú)時(shí)無(wú)刻不在發(fā)生核聚變，它就在我們的眼前，太陽(yáng)通過(guò)氫原子核融合成氦來(lái)產(chǎn)生絕大部分能量。當(dāng)原子核融合時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較重的原子核，并在此過(guò)程中產(chǎn)生剩余能量。
那么為什么我們擁有裂變能力，卻沒(méi)有聚變能力呢？答案很簡(jiǎn)單，但是這令許多科學(xué)家很頭痛：要使聚變發(fā)生在地球上，設(shè)施至少需要1億攝氏度的溫度，是太陽(yáng)核心溫度的六倍。1億攝氏度的高溫難以長(zhǎng)時(shí)間維持，等離子體不可控，源材料不耐久等等問(wèn)題都是核聚變的瓶頸。
太陽(yáng)，天然的核聚變“設(shè)施”
說(shuō)到這里有了另外一個(gè)問(wèn)題，為什么太陽(yáng)中心不斷核聚變的溫度比地球核聚變溫度要低很多呢？為什么地球進(jìn)行核聚變反應(yīng)就需要1億攝氏度呢？這是因?yàn)楫?dāng)前在地球上沒(méi)有太陽(yáng)中心的高壓，而如果沒(méi)有高壓環(huán)境就需要極高的溫度才能有核聚變的過(guò)程。換句話(huà)說(shuō)，太陽(yáng)核心的壓力很大，所以1500萬(wàn)攝氏度就足以產(chǎn)生核聚變反應(yīng)了。
原子是由中子和質(zhì)子組成的原子核和電子組成：質(zhì)子帶正電，而中子不帶電。原子核是原子的帶正電核心，而繞原子核運(yùn)動(dòng)的電子是帶負(fù)電的。如果整個(gè)原子像足球場(chǎng)一樣大，則原子核的大小將不超過(guò)場(chǎng)中央的一粒米。
這個(gè)模型為我們展示了通用核聚變計(jì)劃用來(lái)壓縮等離子體的設(shè)施
核聚變顧名思義就是“聚”字，也就是說(shuō)原子核之間要靠得夠近，夠近是多近呢？大約是原子尺度的十萬(wàn)分之一。質(zhì)子帶正電，而中子不帶電，所以質(zhì)子和質(zhì)子之間具有很大的排斥力，在太陽(yáng)中心有極大的高壓，壓力越高，所需溫度就越低。所以這就是地球上核聚變實(shí)驗(yàn)最低要達(dá)到1億攝氏度的原因，也是目前核聚變難以維持長(zhǎng)久的一個(gè)重要原因。
桑迪亞實(shí)驗(yàn)室中可以進(jìn)行數(shù)百萬(wàn)安培的脈沖發(fā)生器核聚變?cè)O(shè)施
所以在之后出現(xiàn)了冷聚變這個(gè)術(shù)語(yǔ)，冷聚變也可被稱(chēng)為電子縛態(tài)核聚變，科學(xué)家希望核聚變反應(yīng)可以在相對(duì)較低的溫度下發(fā)生。一旦該理論目標(biāo)被實(shí)現(xiàn)，這個(gè)理論就可以成為核聚變的核心理論。只可惜冷聚變這個(gè)理論在1980年代后期就被淘汰了，當(dāng)時(shí)電化學(xué)學(xué)家Stanley Pons和Martin Fleischmann報(bào)告說(shuō)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了過(guò)多的熱量以及很多未知的核副產(chǎn)物。
總而言之，核聚變是在高壓力下讓兩個(gè)原子核碰撞并將它們?nèi)诤铣筛蟮脑雍说倪^(guò)程，這一過(guò)程進(jìn)行的時(shí)候會(huì)釋放出大量能量。在地球上，想要進(jìn)行核聚變實(shí)驗(yàn)，想要實(shí)現(xiàn)如此高壓力高溫度的環(huán)境就需要說(shuō)到托卡馬克，托卡馬克是現(xiàn)代科學(xué)家實(shí)現(xiàn)核聚變的一種方式，那么托卡馬克到底如何進(jìn)行核聚變實(shí)驗(yàn)?zāi)兀?/p>
地球上人造的核聚變反應(yīng)發(fā)生在托卡馬克之中，這是一個(gè)甜甜圈形的設(shè)施。研究人員需要在其中將氣體泵入真空室，電流流過(guò)托卡馬克中心。因?yàn)闅怏w帶電，所以形成了等離子體，然后通過(guò)磁場(chǎng)（由巨大的電磁線(xiàn)圈產(chǎn)生）將等離子體鎖定在真空室內(nèi)，這是為了模擬太陽(yáng)核心的壓力。無(wú)線(xiàn)電和微波被發(fā)射到等離子體中以提高其溫度，在大約一億度的溫度下就會(huì)發(fā)生聚變。
JET歐洲聯(lián)合托卡馬克核聚變?cè)O(shè)施
除了加熱反應(yīng)室所需的高昂電費(fèi)以外，剛才我們說(shuō)到，核聚變持續(xù)反應(yīng)的主要障礙是找到一種能夠承受這么大熱量的材料。另外，其實(shí)核聚變反應(yīng)的這些磁場(chǎng)與某些科幻飛船翹曲動(dòng)力核心上看到的磁場(chǎng)沒(méi)有什么不同，都是高熱高壓的產(chǎn)物。
近期核聚變界已經(jīng)確定了主流的可控核聚變項(xiàng)目，包括聚變物理學(xué)研究和對(duì)反應(yīng)堆可操作性的綜合分析，另一個(gè)是暴露于強(qiáng)中子通量的聚變材料的性質(zhì)。一般而言，這些研發(fā)有助于更好地確定商業(yè)反應(yīng)堆和聚變電站FPP的運(yùn)行任務(wù)和要求。
圣地亞哥的DIII-D托卡馬克核聚變?cè)O(shè)施內(nèi)部，該聚變反應(yīng)堆圓環(huán)形腔室內(nèi)覆蓋有石墨，這有助于承受極高的熱量，內(nèi)部還有一個(gè)人說(shuō)明了該核聚變?cè)O(shè)施的尺寸
要確定反應(yīng)堆的每個(gè)參數(shù)和特性并不是一件容易的事。首先科學(xué)家們多次定義了托卡馬克的設(shè)計(jì)原理和結(jié)構(gòu)，其關(guān)鍵系統(tǒng)有MS系統(tǒng)，包括環(huán)形和多極場(chǎng)線(xiàn)圈，中央螺線(xiàn)管，有源控制線(xiàn)圈和校正線(xiàn)圈；帶有容器內(nèi)部件和端口的真空容器；等離子附加熱和電流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；輻射屏蔽層；等離子體位置和形狀控制系統(tǒng)；真空維持系統(tǒng)；診斷和控制系統(tǒng)和電源系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)。
歐洲托卡馬克JET的內(nèi)壁安裝了鈹和鎢磚，這些材料將用于ITER的等離子表面元件，其實(shí)這是讓托卡馬克設(shè)施內(nèi)部可以長(zhǎng)時(shí)間反應(yīng)的一次材料嘗試
位于庫(kù)勒姆聚變能源中心CCFE的歐洲托卡馬克設(shè)施JET就是純粹的實(shí)驗(yàn)性托卡馬克反應(yīng)堆。JET建造于1977年，是實(shí)現(xiàn)核聚變實(shí)驗(yàn)第一步?，F(xiàn)在歐洲正在建造ITER新托卡馬克設(shè)施，ITER的體積將比JET大三倍，重可達(dá)23000噸，也就是大約115頭藍(lán)鯨的重量。
法國(guó)核聚變ITER托卡馬克運(yùn)行渲染圖
聚變反應(yīng)堆是巨大的機(jī)器，是機(jī)器就需要管理。JET的反應(yīng)堆是一棟大房子的大小，被容納在一個(gè)飛機(jī)機(jī)庫(kù)大小的建筑物內(nèi)。這些反應(yīng)堆非常復(fù)雜，管理JET就需要超過(guò)2500個(gè)控制柜。如果一個(gè)隔間發(fā)生故障，則核聚變過(guò)程就無(wú)法進(jìn)行。另外核聚變測(cè)試還必須避免在城市用電高峰運(yùn)行，以避免對(duì)電網(wǎng)造成超負(fù)荷損壞。
一次核聚變實(shí)驗(yàn)的過(guò)程非常復(fù)雜，首先啟動(dòng)JET就需要16周的準(zhǔn)備時(shí)間，啟動(dòng)之后就不能停機(jī)，因?yàn)橥C(jī)既浪費(fèi)時(shí)間又浪費(fèi)預(yù)算，另外如果停機(jī)重新啟動(dòng)也需要長(zhǎng)時(shí)間的泄漏測(cè)試，所以科學(xué)家們進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)都必須仔細(xì)再仔細(xì)。
這個(gè)建筑中會(huì)放置國(guó)際熱核聚變ITER托卡馬克設(shè)施
除此之外聚變反應(yīng)過(guò)程中反應(yīng)堆部件上會(huì)有巨大的磨損，這是因?yàn)槌司圩兯璧木薮鬅崃亢蛪毫ν?，等離子體還會(huì)快速射向中子，逐漸的這些中子會(huì)嵌入到包裹反應(yīng)堆堆芯的保護(hù)結(jié)構(gòu)中。隨著時(shí)間的流逝，這些反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料的加速降解。
自1983年以來(lái)在英國(guó)運(yùn)營(yíng)的歐洲聯(lián)合設(shè)施JET是核聚變實(shí)驗(yàn)邁出的第一步。由40多個(gè)歐洲實(shí)驗(yàn)室共同使用的JET，在1991年實(shí)現(xiàn)了世界上第一個(gè)受控釋放核聚變的過(guò)程。
JET核聚變?cè)O(shè)施
此后，全球核聚變?nèi)〉昧朔€(wěn)步進(jìn)展。法國(guó)的Tore Supra托卡馬克擁有所有托卡馬克設(shè)施運(yùn)行持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的記錄。日本JT-60托卡馬克達(dá)到了設(shè)施的“三高”記錄，包括最高密度，最高溫度和最大限制時(shí)間。美國(guó)的托卡馬克設(shè)施也有平均非常好的成績(jī)。
說(shuō)到托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)設(shè)施，我國(guó)也擁有世界先進(jìn)的托卡馬克設(shè)施，我國(guó)的托卡馬克實(shí)驗(yàn)設(shè)施離子溫度也達(dá)到了1億攝氏度。所有實(shí)驗(yàn)參數(shù)是之前設(shè)計(jì)理論的兩倍，而且我國(guó)環(huán)流器二號(hào)M裝置還采用了更先進(jìn)的磁場(chǎng)控制結(jié)構(gòu)與等離子控制方式，也對(duì)設(shè)施的材料進(jìn)行了新的嘗試。
我國(guó)的托卡馬克核聚變?cè)O(shè)施，新一代HL-2M托卡馬克設(shè)施
所有的實(shí)驗(yàn)并不是一個(gè)人獨(dú)自努力工作就可以完成的，是世界科學(xué)家共同努力的結(jié)果，全世界的核聚變托卡馬克設(shè)施在2018年已經(jīng)重新調(diào)整了其科學(xué)程序的方向或修改了其技術(shù)特性。世界各國(guó)正在組建全球核聚變研究聯(lián)盟，以分開(kāi)一個(gè)一個(gè)托卡馬克測(cè)試變?yōu)楣餐腺Y研究。另外現(xiàn)在的科學(xué)家正在研究等離子操作，等離子與等離子壁的相互作用，材料測(cè)試和最佳功率提取方法等先進(jìn)核聚變模式。
未來(lái)的核聚變渲染圖
可控核聚變真正實(shí)用還需要一定時(shí)間，但是這就是我們對(duì)未來(lái)科學(xué)的追求，對(duì)真正無(wú)害可持續(xù)能源的追求，對(duì)未來(lái)地球環(huán)境的追求。我們?cè)诎l(fā)展科學(xué)的同時(shí)也要注意地球環(huán)境，利用科學(xué)造福地球，也許這是人類(lèi)科學(xué)家研究托卡馬克核聚變的初心吧。無(wú)限能源，無(wú)污染能源，低成本能源，科學(xué)在進(jìn)步，科學(xué)家在行動(dòng)。
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