玻璃管中進行的絕密實驗

對看好又不了解的東(dong) 西，就是自己先偷偷的搞，可控核聚變方麵同樣如此。

核武器研究之初，人類就希望把它的能量用於(yu) 和平目的。裂變是這樣 ，聚變也是這樣。美國 、英國和前蘇聯在研製核武器的同時，在 ２０ 世紀 ５０ 年代初，也秘密的開始了受控熱核聚變的研究工作。

在聚變研究初期，各國科學家不約而同的想到要用磁場約束高溫等離子體(ti) ，θ 箍縮（θ-pinch） ，仿星器（stellarator） ，磁鏡（magnetic mirrors） ，Z 箍縮（Z-pinch）和托卡馬克（tokamak）成為(wei) 研究磁約束核聚變的主要途徑 。

圖：1950，英國倫(lun) 敦帝國理工學院最早的z箍縮裝置，容器是由耐熱玻璃管製成

1951 年蘇聯科學家 伊戈爾·葉夫根尼耶維奇·塔姆（Igor Yevgenyevich Tamm）和安德烈·薩哈羅夫（Andrei Sakharov）提出環形聚變反應堆的設想。在蘇聯使用大半徑 25cm 小半徑 3cm的玻璃管進行了小型實驗。

1952 年，美國第一次舍伍德（Sherwood）聚變研究方案會(hui) 議在丹佛舉(ju) 行。在以後幾年裏，幾種不同類型的聚變研究裝置在第二次世界大戰期間研究原子彈的幾個(ge) 基地得到發展。

圖：現在的普林斯頓等離子體(ti) 物理實驗室（Princeton Plasma Physics Laboratory，PPPL），其在核聚變領域的研究目前還處於(yu) 領跑地位

在普林斯頓（Princeton ）大學，萊曼·斯皮策（Lyman Spitzer）提出了仿星器的概念，並開始了這一途徑的研究。在洛斯阿拉莫斯國家實驗室(Los Alamos National Laboratory)主要發展箍縮型裝置,在勞倫(lun) 斯利物莫國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory)則開始建造磁鏡類型的裝置。

1955～1956 年，蘇聯科學家維塔利·德米特裏耶維奇·沙夫拉諾夫 （V.D.Shafranov） 研究了環形放電的平衡和穩定性問題，從(cong) 而奠定了托卡馬克裝置的基本理論。蘇聯在這期間還試驗了不同材料的真空室，這也是後來托卡馬克取得成功的關(guan) 鍵技術問題之一。

圖：位於(yu) 英國哈維爾的零功率熱核裝置（Zero Energy Thermonuclear Assembly，ZATA）。環形約束管大致居中。外圍較大的環形裝置是磁鐵，用來感應箍縮電流。

1957 年英國環形箍縮裝置 ZETA 運行，成為(wei) 當時世界上規模最大的實驗研究設備。

本節出現的幾種不同於(yu) 托卡馬克約束的磁約束方式將在後麵專(zhuan) 門章節詳細說明，不是說它們(men) 就徹底無用了，而是現階段，工程實現上托卡馬克更現實一點，但以後，有可以這些其它的約束方式會(hui) 被用於(yu) 特定的場景，比如星際飛船上的核聚變引擎，因為(wei) 每種方式都有其突出的優(you) 點。

 短暫的樂觀與各自為戰

在 20 世紀 50 年代，聚變和裂變研究所麵臨(lin) 的局麵是，裂變的軍(jun) 事應用（第一顆原子彈）已於(yu) 1945 年實現，作為(wei) 民用的第一個(ge) 核電站於(yu) 1954 年在蘇聯奧布寧斯克建成，而在聚變的軍(jun) 用方麵，美國在 1952 年試驗了第一顆氫彈。

圖：印度物理學家霍米·傑漢吉爾·巴巴（Homi Jehangir Bhabha），被稱為(wei) “印度核計劃之父”

按此進度外推，聚變的民用，即聚變堆電站，應在不遠的將來實現。當時各國科學家就是這樣想的，所以對聚變應用的前途均持樂(le) 觀態度。例如，在 1955 年的第一屆和平利用原子能國際會(hui) 議上，大會(hui) 主席、印度物理學家霍米·傑漢吉爾·巴巴（Homi Jehangir Bhabha）說， 20 年內(nei) 將會(hui) 找到控製和利用核聚變能的方法，所以各國對此研究均處於(yu) 嚴(yan) 格保密狀態。

圖：普林斯頓等離子體(ti) 物理實驗室（PPPL）的研究人員利用超級計算機進行等離子大規模仿真，等離子湍流是宏觀穩定性不好的重要表現

隨著研究的深入，科學家們(men) 發現用磁場約束高溫等離子體(ti) 要比預想的困難得多。這裏主要的障礙是等離子體(ti) 在磁場約束下的宏觀穩定性不好 。 受控聚變反應研究遇到的困難遠遠超過原來的想象。

在這一時期，已充分認識到通往聚變能源之路的漫長與(yu) 艱辛。在薩爾茨堡會(hui) 議上，著名的蘇聯科學家列夫·阿蒂西莫維奇（Lev Artsimovich，上圖右1）在評述實驗結果的會(hui) 議總結中說：“我們(men) 都很清楚的是，我們(men) 原來相信，通往所需的超高溫區域的門隻需憑物理學家的創造力用力一推就平穩打開。這已被證明是虛妄的，就像罪人希望不經過煉獄就能進天堂一樣。幾乎不用懷疑，受控聚變問題最終能夠解決(jue) ，我們(men) 唯一不知道的是我們(men) 還要在煉獄裏停留多久……”此後幾十年的曆史證明，聚變研究確實不存在捷徑。聚變之路遇到的困難不僅(jin) 在於(yu) 對物理過程的不了解，也在於(yu) 工程上所需的強磁場、高真空等技術手段，以及微波、激光、粒子束等加熱和診斷設備都有待發展。

 謀求合作

為(wei) 了更好的共同探求克服困難的途徑 ，各國由各自為(wei) 戰轉而為(wei) 開展交流合作，秘密隨之被慢慢公開。

1957 年以後， 一些關(guan) 於(yu) 核聚變的文獻開始在刊物上公開發表。1958年在日內(nei) 瓦召開的第二屆和平利用原子能國際會(hui) 議（上圖）上，各國科學家都公布了自己的研究成果並發起國際合作， 從(cong) 此 ，聚變成為(wei) 國際合作的主題。

蘇聯科學家在那年展示了他們(men) 編輯的四卷論文集。這一會(hui) 議的另一成果是開始了國際原子能機構（International Atomic Energy Agency, IAEA）主持的聚變研究國際會(hui) 議。1961 年第一次國際聚變會(hui) 議在奧地利的薩爾茨堡召開。此後，在 IAEA 主持下，國際性的聚變能會(hui) 議形成製度，最初是兩(liang) 年一次，1974 年以後改為(wei) 三年一次，後又改為(wei) 兩(liang) 年一次。

 托卡馬克領跑

某種意見上講，一開始的聚變研究途徑就是在花錢探路，蘇聯一直在托卡馬克裝置方向上努力，並押對了大方向。

1958～1959 年蘇聯研製 T-1 托卡馬克裝置， 1960 年研製 T-2。T-2 大半徑 62.5cm，使用不鏽鋼波紋管真空室、超高真空，安裝銅殼用於(yu) 穩定等離子體(ti) 。1964 年他們(men) 又研製 T-3 ，在利用強縱場克服等離子體(ti) 的宏觀穩定性上取得突破性的進展。其大半徑1米，環向磁場 2～2.5特斯拉，電子溫度達到 600～800eV，幾個(ge) 毫秒的能量約束時間超過原來的定標律玻姆時間10 倍以上。

等離子體(ti) 的離子溫度（Ti)、電子溫度(Te)，等離子體(ti) 密度(Ni)和能量約束時間(τE)是磁約束聚變的幾個(ge) 重要指標。溫度、密度、約束時間三者的乘積則衡量的是該聚變裝置的綜合性能指標，被稱為(wei) 三乘積指標。

 

定標律玻姆時間：早期的一種描述高溫等離子體(ti) 擴散與(yu) 溫度和磁場強度的關(guan) 係的模型， 通俗點講就是溫度越高，約束時間越短，有個(ge) 極限值，這個(ge) 值就是定標律玻姆時間。這裏說明，實驗打破了理論預言的極限。

圖：前蘇聯T-３托卡馬克裝置

1968 年，蘇聯在新西伯利亞(ya) 舉(ju) 行的第三次國際會(hui) 議上公布了這一驚人的實驗成果。翌年英國庫勒姆實驗室（現在的庫勒姆聚變能中心國家實驗室）的科學家攜激光散射測量裝置去蘇聯 T-3 裝置進行實地測量，證實確實能達到很高的電子溫度。這一成果震動了國際聚變界，世界對聚變研究的悲觀情緒一掃而空。

隨後，從(cong) 20世紀70年代開始，世界上掀起了一股“托卡馬克”熱 ，各國將研究的重點轉向了托卡馬克並開始建造自己的托卡馬克。

美國普林斯頓 （Princeton ）大學的等離子體(ti) 物理研究所（PPPL）立即把仿星器 C 裝置改成了托卡馬克ST ，很快就重複了前蘇聯 T-３ 上的結果 ，隨後同時造了三個(ge) 托卡馬克 ：

絕熱環形壓縮機（adiabatic toroidal compressor，ATC），

極向偏濾器實驗（poloidal divertor experiment，PDX）

普林斯頓大型聚變環（princeton large torus， PLT ）。

橫坐標為(wei) 時間，縱坐標為(wei) 等離子體(ti) 密度、能量約束時間、等離子體(ti) 溫度三乘積指標

如上圖，以T3為(wei) 標誌，從(cong) 1968 年到2008 年 ，全世界共建造了幾十個(ge) 大大小小不同尺寸 、不同要求的托卡馬克 ，把核聚變研究推向了一個(ge) 新的高度 。在數十年裏，這個(ge) 三乘積指標連續保持 1.8 年翻一番的進展速度，超過了摩爾定律所歸納的集成電路容量增長速度。（所以，別老說核聚變沒進步，隻是因為(wei) 它太難）

當然，除托卡馬克以外的箍縮、磁鏡等磁約束方法也在推進，雖說在指標方麵跑在了托卡馬克的後麵，但作為(wei) 磁約束方法的一種，對人類而言，是一些備選方案，並且在等離子理論達到一定高度後，可能會(hui) 重新出山，例如，反場箍縮已被用於(yu) 研究聚變飛船發動機。

圖：現如今，科學家們(men) 利用超算模擬受控聚變已成為(wei) 一種極重要的研究手段

更重要的是，此時的高溫等離子體(ti) 有關(guan) 理論和數值模擬也取得很大進展，而且在聚變研究中顯得日益重要。如描述二維等離子體(ti) 的理想磁流體(ti) 動力學平衡方程，等離子體(ti) 波理論，等離子體(ti) 動理論和不穩定性，新經典輸運理論。隨著對等離子體(ti) 過程複雜性的認識和計算機算力的增加，完全的計算模擬也日益受到重視。

 動真格

如果說之前的實驗更多地是進行單一高溫等離子體(ti) 磁約束（比如單一的氘、單一的氦）的研究，那麽(me) ，進入到20世紀80年代，幾大先發國開始建造接近聚變堆的大型托卡馬克了，那就是動真格了，每個(ge) 裝置的投資都是數億(yi) 美元，並且開始進行實際的氘-氚聚變實驗了（這是很費錢的，並且產(chan) 生的中子對基礎設備有損耗）。

主要有這麽(me) 4個(ge) 裝置：

① 美國普林斯頓 （Princeton ）的托卡馬克聚變試驗反應堆（TFTR）

② 歐洲卡勒姆（Culham）的歐洲聯合環形加速器 （JET）；

③ 日本那珂市（Naka）的日本圓環-60（JT-６０） ；

④ 前蘇聯庫爾恰托夫原子能所的托卡馬克-15 （T-１５） 超導托卡馬克。

前三個(ge) 裝置達到了“裏程碑” ，基本上實現了氘氚燃燒的科學可行性的各項指標。

1991 年，歐洲的JET 裝置用 D-T 反應產(chan) 生 1.7MW 聚變功率。

1993 年，美國 TFTR 裝置用 D-T 反應產(chan) 生6.4MW 聚變功率，後來又將這一功率提高到 10 . 7MW。

1997 年， JET 又創造了 D-T 反應產(chan) 生 16.1MW 聚變功率的新紀錄。

1998 年，日本 JT-60 裝置的 D-D 反應（由於(yu) 核安全原因，日本作為(wei) 戰敗國，一直隻能進行氘氘實驗）的實驗參數的等效 D-T 反應能量增益因子 Q （能量輸出與(yu) 輸入之比）達到 1.25，離子溫度峰值達到 45keV（約4.5億(yi) 度），電子溫度高於(yu) 10keV（約1億(yi) 度），電子密度達到每立方米1萬(wan) 億(yi) 億(yi) 個(ge) 。（注意日本這個(ge) 裝置達到的離子溫度）

直到現在，４個(ge) 裝置都以不同的方式繼續運行著，TFTR 於(yu) １９９７年關(guan) 閉，其運轉所獲得的資料和星空体育官网入口网站被應用到了新的裝置－美國國家球麵環實驗（National Spherical Torus Experiment (NSTX) ）中了。JET經過持續的升級，目前還在運行中，JT-60 目前已被升級到 JT-60 SA並於(yu) ２０２１年３月進行綜合調試。T-15從(cong) ２０１０年開始升級為(wei) T-15MD，並於(yu) ２０２０年底完成了啟動所需要的物理準備工作。具體(ti) 情況將在後續章節中詳細介紹。

 真正的多國合作超大世紀工程

20 世紀 90 年代在托卡馬克裝置上取得的成就，意味著受控聚變反應的科學可行性已得到驗證，在此基礎上，建造一台國際合作研究的聚變實驗裝置國際熱核實驗堆(ITER，International Thermonuclear Experimental Reactor）被首次提出。

圖：ITER目前已是一個(ge) 35國參與(yu) 的國際大項目

在 １９７６ 年由美蘇倡議 ，在國際原子能機構（ IAEA，International Atomic Energy Agency）的框架下 ，由美國、歐 、日、俄共同建造 ITER ，這是一個(ge) 巨大的科學計劃 。它的目標是驗證穩態的氘氚等離子體(ti) 自持“燃燒”的科學可行性 、聚變反應堆的工程可行性 。

但顯然這個(ge) 世紀超大工程不是一蹴而就的，期間幾近曲折，ITER光設計就由幾百位科學家及工程師花了近 １０ 年 ，耗資２０ 億(yi) 美元才完成 。最初設計費用估算在６０億(yi) 美元，而後增加到１００億(yi) 美元，而目前ITER官方認可費用增加到了２2０億(yi) 美元以上，而美國能源部在2018年估算光建設費用將達到650億(yi) 美元，後麵還有高額的運營成本（當然，美國有點自己的小酒酒，美國目前已經拖欠現金6500萬(wan) 美元，有點不想幹挑毛病的意思）。

作為(wei) 比較，國際空間站的預算為(wei) 1000億(yi) 歐元，而大型強子對撞機則僅(jin) 為(wei) 75億(yi) 歐元。

因為(wei) 造價(jia) 過高且看似無底洞的預算增加，加之政治原因、選址以及技術原因（如對托卡馬克的轉換效率的低期望），ITER曾一度停擺，１９９０ ～ ２０００ 年在美國宣布退出 ITER ，其他夥(huo) 伴國又提出 ITER 的改進設計ITER瘦身版（ITER－ＦＥＡＴ） ，從(cong) ２００３ 年起 ，中國政府擬定參加ITER ，隨後美國又宣布重新加入 ，韓國也聲明參加 。

ITER最終 於(yu) ２００６ 年確定選址在法國，並於(yu) 2007年正式破土動工，目前主體(ti) 工程已經封頂並開始裝配，計劃在2025年進行第一次熱機（注入等離子），2035年正式開始氘氚聚變運營

ITER將是第一個(ge) 長時間保持聚變的設備。根據其技術手冊(ce) ，階段目標是實現400-600秒超長脈衝(chong) 聚變，產(chan) 生50萬(wan) 千瓦的電能，相當於(yu) 450萬(wan) 千瓦時的電能輸出，這個(ge) 發電量大約相當於(yu) 大亞(ya) 灣核電站（核裂變）總裝機容量的1.5倍，三峽水電站總裝機容量的1/5，遠期目標是保持長時間穩態運行，當然，它的主要目的仍然是研究，不會(hui) 用來發電，隻不過是商業(ye) 發電規模的研究，為(wei) 人類的第一個(ge) 聚變商業(ye) 發電站作技術準備。

關(guan) 於(yu) ITER的詳細結構請點擊這裏：

200億(yi) ！35國！50萬(wan) 千瓦！10倍能量收益！征服基本力！國際熱核實驗堆ITER核心全揭秘！

 中國在哪裏？

有人說，講了這麽(me) 多，沒講到中國，中國的核聚變早就超過美國了，那個(ge) 合肥的小太陽都1億(yi) 度了，ITER裏麵我們(men) 才是大哥，現在中國又自己搞中國聚變工程實驗堆（CFETR，China Fusion Engineering Test Reactor)，一人挑一群。

首先，關(guan) 於(yu) 這個(ge) 話題，不是我們(men) 這個(ge) 專(zhuan) 題重點討論的內(nei) 容，我們(men) 的目的還是學習(xi) 與(yu) 核聚變與(yu) 高溫等離子體(ti) 有關(guan) 的星空体育官网入口网站。（或者說，等整個(ge) 專(zhuan) 題結束了我們(men) 再討論一下也無妨）話又說回來了，相信我，等你對這方麵星空体育官网入口网站了解越深入，你就越會(hui) 冷靜客觀地看待流量視頻給你打的雞血了。


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