可控核聚变 （人工实现核聚变）

简介

目前，引力约束、惯性约束和磁约束这三种方式被认为是可控核聚变的主要方式。而现在主流的托卡马克装置是属于磁约束的方式。

可控核聚变能源相比较于现有的能源，有取之不尽，成本低、清洁等特点，被人类视为终极能源。而且和传统的核能相比核聚变更加清洁和安全，核聚变的过程不会产生放射性废物，也不会发生失控链式反应。

历史沿革

核聚变是在二十世纪三十年代末期，贝特通过实验证明，将两个轻原子核碰撞在一 起可以形成较重的原子核，并且这个过程中会释放出大量的能量。

氢弹就是利用核聚变反应制成的炸弹，而参加氢弹的反应物质主要是氘和氚。1952 年11月1日，美国首次进行了氢弹原理试验。从50年代初至60年代后期，美国、苏联、英国、中国和法国都相继研制成功氢弹。而在1967年6月17日上午8点20分，中国的第一颗氢弹在新疆罗布泊爆炸试验成功。

可控核聚变的方式有磁约束、惯性约束和引力约束，在1950年代，国际上就开始了磁约束核聚变的研究，最初只有少数的几个核大国进行秘密研究，在1950年代末开始技术解密，到1960年代后，才进入世界上很多的国家合作参与研究阶段。也是从十九世纪60年代以来， 科学家发现利用磁约束来实现可控核聚变，是最有希望的一种实验途径，也就是托卡马克装置。之后，在1980年代以来，国际磁约束受控核聚变研究取得了显著的进展，很多国家的大型和超大型的托卡马克装置相继建成，比如美国的TFTR、日本的JT-60U、前苏联的T-15等。

进入1990年代，国际上关于可控核聚变的研究取得的了突破性的进展，首先是1991年末，人类首次用可控的方法在欧洲共同体联合环JET装置上进行了首次氘—氚放电实验，获得3.4MJ的聚变能，聚变功 率达到1.7MW。之后在美国普林斯顿大学的TFTR装置上也成功的进行了氘—氚放电实验，输出聚变功率10.7MW，获得聚变能6.5MJ。1997年，在JET上创造了聚变能21.7MJ、聚变功率16.1MW的记录。第二年，在日本原子能研究所的JT—60U装置上进行D—D反应的实验，其等效的氘—氚聚变反应的能量增益因子Q（聚变反应产生的能量与输入装置能量之比）达到了1.25。这些突破性的进展，也证实了以托卡马克为代表的磁约束核聚变的科学可行性。

作为曼哈顿计划的一部分，在20世纪40年代初军事用途的核聚变研究就已经开始。虽然核聚变是在氢弹的操作中实现的，但想要核聚变成为可控的能源来使用，就需要持续稳定的核聚变反应。从20世纪30年代以来，就一直在进行在聚变反应堆内开发受控核聚变的研究，但是这项技术仍然处于开发阶段。

由于托卡马克聚变研究方面取得了稳步的进展，1985年，美苏首脑在日内瓦峰会上提出建造国际热核聚变实验堆（ITER）。经过20年的设计改变和谈判，最后在2005年6月，达成了将ITER建造在法国卡达拉奇的协议，并且同意了ITER的新设计和部件预研。 。ITER计划将历时35年，其中包括建造阶段10年、运行和开发利用阶段20年、去活化阶段5年。ITER的设施预计将在2025年完成建设阶段，并且在同年开始调试反应堆，启动等离子体实验，但是预计要到2035年才能开始完全氘-氚核聚变。据报道，2023年1月6日，国际热核聚变实验反应堆计划（ITER）的总干事表示，由于要对多个存在缺陷的主要部件进行修复，会造成该项目的延误，延误时间未确定。

2021年5月，中国的全超导托卡马克核聚变实验装置EAST实现了可重复的1.2亿度101秒和1.6亿度20秒等离子体运行。同年12月30日，EAST又实现了1056秒的等离子体持续运行时间，成为了托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间记录。美国国家点火装置采用的是激光驱动惯性约束核聚变，它是为了实现核聚变的收支平衡而设计的。首次大规模的激光打​​靶实验在2009年6月进行，点火实验于2011年初开始。 2022年12月13日，美国能源部宣布，2022年12月5日，他们已经成功完成均匀核聚变的突破，美国的“国家点火装置”输入了总能量为2.05兆焦的激光，引发了氘氚聚变反应，最终输出了3.15兆焦的能量。这是人类历史上第一次在可控核聚变试验中实现了净能量增益。2023年初，科研人员利用EAST发现并证明了一种新的高能量约束模式。

原理介绍

核聚变是一种热核反应，它的反应过程是将两个轻的原子核碰撞在一 起形成较重的原子核，在这样的过程中可以释放出大量的能量。质量小的原子主要是指氘核和氚核，在一定条件下（比如超高温和高压），只有在极高的温度和压力下才能让核外电子摆脱原子核的束缚，从而让两个原子核能够碰撞到一起，发生原子核的聚合作用，生成新的质量更重的原子核（比如氦核），这个过程中会有大量的电子和中子释放出来，表现出来的就是巨大的能量释放。

可控核聚变的过程就是人类要发明一种装置，可以控制上面说的核聚变反应过程，让能量可以持续、稳定的输出，从而使这些能量可以被人类使用，这就是可控核聚变。

磁约束控制核聚变指的是利用高强度的磁场把等离子体约束在有限的体积内的方法。这样处于热核反应的由氘和氚等轻原子核和自由电子组成的等离子体就可以受控制的发生核聚变反应，稳定的释放能量。磁约束的核聚变主要是通过托卡马克装置和仿星器装置来实现。

惯性约束核聚变指的是依靠等离子体粒子自身的惯性约束作用来实现核聚变反应的一种方法。它的主要原理是，利用大功率的激光束或带电粒子束汇聚到球形氘氚等热核燃料组成的靶丸上，通过烧蚀等离子体产生的压力，使其加热、压缩并产生核聚变反应从而释放出能量。美国的“国家点火装置”，就是一种利用惯性约束激光核聚变的试验装置。

引力约束指的是依靠参加反应的原子核相互之间的引力将大量的原子核约束在一个小的空间内，从而使这些原子核可以实现核聚变反应。在太阳上，因为其自身巨大的质量，可以发生引力约束的核聚变反应。

具体实现方式

目前可控核聚变具体实现的方式有三种，分别是托卡马克装置（TOKAMAK）、国际热核聚变反应堆（ITER）和超导托卡马克（EAST）。

托卡马克装置（TOKAMAK）

托卡马克装置（TOKAMAK）是利用磁约束来实现可控核聚变的装置，它主要是利用大型的环形线圈在通电时形成的磁场把等离子气体团约束在整个磁场之中，然后通过加热提高温度来使核聚变反应发生。这个装置是通过控制反应的气体的多少来实现控制核聚变反应。从1980年代开始，可控核聚变途径的研究主要集在托卡马克装置上，虽然托卡马克目前仍有一些关键问题需要通过实验加以验证，但是，公认的是只有它才具备建造实验性聚变反应堆的基本条件。

之后，国际上磁约束核聚变研究取得了显著的进展，各国也相继建成了大型和超大型的托卡马克装置，例如有美国的TFTR、欧洲共同体的JET、日本的JT-60U、前苏联的T-15等。美国的TFTR建造在普林斯顿大学等离子体物理实验室，在1993年12月使等离子体的中心温度达到3至4亿摄氏度，并且获得了聚变功率的输出，能量增益因子Q值达0.28。欧洲共同体的JET，在1982年建造在英国的卡拉姆实验室，在1991年获得聚变功率输出，并于1997年能量增益因子Q值达到0.65。日本的JT-60U是在1989—1991年由JT-60大型托卡马克装置改造成的，在1996年达到4亿摄氏度中心离子温度，实现等效能量得失相当，最大功率输出增益因子Q达到1.3。

国际热核聚变反应堆（ITER）

国际热核聚变反应堆（ITER）是1985年在日内瓦峰会上由美国和苏联首脑提出建造的，之后,欧洲共同体、美国、日本、俄罗斯四方的科学家与工程师在1998年完成了ITER 的工程设计，预算为100亿美元。随着高约束运行模式在实验中被了解和掌握，自1998年夏天以来，开展了为期三年的降低费用设计研究。到2001年，改进设计完成了新的工程设计和大部分部件与技术的研发工作，费用预算降到46亿美元，预计将历时30年，包括建设期10年，运行实验期20年。在2005年6月，达成了将ITER建造在法国卡达拉奇的协议，2006年6月在布鲁塞尔签署了合作建造ITER的政府间协议。当时，根据计划的进展，预计在2016年前建成并投入实验。据报道，2023年1月5日，国际热核聚变实验反应堆计划（ITER）的总干事彼得罗·巴拉巴斯基解释说，不得不对组成“真空室”的几个部件和“隔热屏”进行修复，会导致项目延误，延误的时间没有确定。

超导托卡马克（EAST）

超导托卡马克（EAST），设立在中国合肥。中国科学家在1998年的建造“实验的先进的超导的托卡马克”的国家项目。是世界上首个非圆截面全超导托卡马克装置，与国际上大多数短脉冲的装置不同的是，EAST装置的研究方向主要是高参数长脉冲等离子体运行，探究高性能等离子体、先进稳态运行模式等高温等离子体稳定运行中的一些关键物理问题和工程技术问题。目前，EAST具备与ITER最为相近的工程技术条件，包括超导稳态磁场和高功率长时间加热能力，可以承受高热负荷冲击的钨铜偏滤器系统，以及灵活的等离子体控制能力，可以开展低动量、电子加热为主的长脉冲等离子体物理实验。2006年，EAST实现了第一次“点火”，也就是激发等离子态和核聚变。很快，它实现在之前没有过的连续1000秒的运行。EAST是世界首个实现稳态高约束模式运行持续时间达到分钟量级的托卡马克核聚变实验装置。这种高约束模式意味着，核聚变更加的“可控”了。EAST承担了ITER采购包中国计划的70%的任务，并且负责ITER PF6和ITER TAC1总装项目。EAST在稳态长脉冲等离子体运行方面处于国际领先地位，为ITER及未来聚变堆发展提供了强有力的工程技术和科学理论支持。

优点

原料来源丰富

可控核聚变的第一个优点是原料来源丰富。核聚变的原料是氘和氚，据测算，一升海水中含氘的量是30mg，通过核聚变反应，产生的能量相当于300多升汽油产生的能量，也就是说，经过提炼一升海水中的氘经过核聚变释放的能量，相当于燃烧300多升汽油释放的能量。据估计，天然存在于海水中的氘有45亿吨，如果全部通过核聚变转化为能源，按目前世界能源的消耗量，可以满足人类未来几十亿年的能源需求。。而核聚变反应中的另一个原料氚，虽然在自然界中不存在，但是利用反应堆产生的中子轰击氟化锂、碳酸锂或锂镁合金就可以大量生产，而海水中就可以提供大量的锂。

产物安全、清洁

可控核聚变的第二个优点是，核聚变反应的过程和产物都不会对环境产生污染，也不会造成核泄漏的危害。核聚变的过程中，只要去掉反应条件中的任何一项条件，反应就会彻底停止，不会发生核泄漏的问题。而且，核聚变反应产生的物质是惰性气体氦，没有放射性物质，也不会污染环境。

局限性

虽然核聚变是人类理想的能源，但是在地球上实现持续的核聚变反应，却需要非常苛刻的条件，它要求参加核聚变反应的等离子体要达到劳逊条件，就是温度、密度、能量约束时间三者的乘积要达到要求。比如，要实现氘—氚的核聚变反应，要求温度达到2亿度，粒子的密度达到10的20次方每立方米分之一，能量约束时间超过1秒。只有同时满足以上三个条件，核聚变反应才能进行。

国际上将可控核聚变研究的发展分为6个阶段，1、原理性研究阶段，2、规模实验阶段，3、点火装置试验阶段（氘氚燃烧实验），4、反应堆工程物理实验阶段，5、示范聚变电站阶段，6、商用聚变电站阶段。而现在国际核聚变研究正处于第三阶段，距离可控核聚变实现商业化，还有很长的路要走。

中国环流三号

“中国环流三号”是我国自主设计研制的可控核聚变大科学装置，它也被称为新一代“人造太阳”。“中国环流三号”团队突破了等离子体大电流高约束模式运行控制等一系列关键技术难题，首次实现了100万安培等离子体电流下的高约束模式运行。磁约束核聚变中的高约束模式是一种先进的运行模式，比普通的运行模式更具经济性，因此被选为正在建造的国际热核聚变实验堆的标准运行模式。

2023年8月，新一代人造太阳“中国环流三号”取得重大科研进展，首次实现100万安培等离子体电流下的高约束模式运行，标志着中国磁约束核聚变装置运行水平迈入国际前列，是中国核聚变能开发进程中的重要里程碑。

意义

随着经济的快速发展，能源短缺的问题越来越严重，而现有的煤炭、石油等燃料越来越少，而且使用的过程中会污染环境，影响人类生存。现在可以使用的对环境影响较小的清洁能源，比如太阳能、潮汐能、地热能等，因为成本问题，不能大规模的应用在人们的日常生活中。而核聚变产生的能量可以不断的向外输送，正好满足了人类发展对能量的需求。

发展方向

2021年5月，中国的全超导托卡马克大科学装置EAST实现了可重复的1.2亿度101秒和1.6亿度20秒等离子体运行。同年12月30日，EAST又实现了1056秒的等离子体持续运行时间，2023年初，科研人员利用EAST发现并证明了一种新的高能量约束模式。这种新的稳态高能量约束模式，对国际热核聚变实验堆和未来聚变堆运行具有重要意义。

除了以磁约束为特点的托卡马克装置外，惯性约束激光核聚变实验也在进行，就是用大量激光脉冲轰击氢原子的激光系统。美国的“国家点火装置”，就是一种惯性约束激光核聚变试验装置。2022年12月底，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）公布，利用美国国家点火装置（NIF），首次成功在核聚变反应中实现“净能量增益”，在这次实验中，科研人员向内部被注入了氘氚聚变燃料的小靶丸输入了2.05兆焦耳的能量，引发核聚变之后，产生了3.15兆焦耳的能量输出。这是人类历史上第一次实现了聚变能量大于输入能量，获得了超过54%的净能量收益。