受控核聚變實驗經歷了哪些發展歷程？

　　去年底傳出消息，我國受控核聚變研究獲得重大突破，中國物理學家創造了一項世界紀錄，制造出比太陽中心溫度還要高的氫等離子體，並且穩定燃燒了1分多鐘。

　　受控核聚變是人類獲取能源的夢想，它的研究已經進行了幾十年，真正獲得商業成功可能還需要付出幾十年的努力。那麼，人類為此走過了哪些路？

　　“點火”需幾千萬至上億攝氏度

　　核聚變可以釋放出巨大的能量，這個事情人們在上世紀30年代就發現了。

　　上世紀50年代氫彈研制成功，人們也實實在在地了解了核聚變爆發出的巨大能量。

　　核聚變的發生是十分困難的。原子核都帶正電互相排斥，隻有當兩個原子核之間的距離非常接近，大約相距隻有萬億分之三毫米時，它們的吸引力才大於靜電斥力，兩個原子核才可能聚合到一起同時放出巨大的能量。因此，首先必須使聚變物質處於等離子狀態，也就是讓外層電子脫離原子核的吸引而形成自由電子，讓聚變物質（通常為氘和氚）的原子核完全裸露出來。然而，兩個帶正電的原子核越互相接近，它們之間的靜電斥力也越大。隻有當帶正電的原子核達到足夠高的動能時，需要幾千萬甚至幾億攝氏度的高溫，它們的碰撞才有機會使二者非常接近，以致產生聚合。

　　氫彈中產生的核聚變，是利用原子彈點火的聚變反應裝置。在原子彈中放入熱核燃料，當原子彈爆炸時，在火球區的中央便產生幾百萬到一億攝氏度的高溫，達到了熱核燃料的點火溫度。就在火球還來不及擴散的瞬間，使部分熱核燃料產生熱核反應，核聚變就發生了。可惜，用這種方式獲得的熱核能是人們難以控制的，而我們需要的是“受控”的熱核反應。

　　用“磁瓶”約束等離子體

　　科學家們提出了這樣一個思路，假想有這樣一個“瓶子反應器”：假定它可以耐一億攝氏度以上的高溫，能承受數千萬個大氣壓力，並假定有一種加熱用的“火”可使“瓶子反應器”從室溫逐步上升到幾千萬攝氏度的高溫。“瓶子”裡充入氘和氚混合氣體后，用這種“火”慢慢加熱。當溫度上升到1000萬攝氏度，氘、氚核的平均飛行速度達到每秒300公裡，此時等離子體的壓力為1000萬個大氣壓以上。在這種條件下，通過氘和氚核相互碰撞，會有一部分核發生聚變反應。隨著溫度的繼續升高，反應器內的聚變速度也將增加。

　　當“瓶子”的溫度達到某一個界限，即釋能的速度超過輻射能量損失的速度時，我們把加熱“瓶子”用的“火”拿走，核聚變反應也能自持下去。這個溫度界限，就叫“臨界點火溫度”。

　　在普通人工所能建造的反應器規模下，氘-氚聚變反應的臨界點火溫度為數千萬到一億攝氏度﹔而氘-氘反應的臨界點火溫度為一億至數億攝氏度。

　　當然，不可能有任何實際的固體容器能做這種“瓶子”，因為溫度在4萬攝氏度以上時，現有的任何耐火材料都會熔化。

　　為此，科學家們想出了一種非常奇妙的方法：用磁場來約束等離子體，或者說，把等離子體放在一種特殊的“磁瓶”裡。“磁瓶”是一種看不見的用磁場構成的“瓶子”，由於磁場不是由分子、原子構成的實體，所以沒有什麼熔化和溫度高低的問題。

　　“托卡馬克”裝置脫穎而出

　　然而，事情並沒有這麼簡單：磁場能約束等離子體，而等離子體反過來會削弱磁場。當等離子體的密度增加到一定的程度，外磁場會被完全抵消。某種強度的磁場隻能約束一定密度和一定溫度的等離子體。要想建一個“磁瓶”，讓核聚變穩定在裡面發生，又是談何容易。

　　科學家們想出了各種各樣的方案來建這個“磁瓶”，而一種叫做托卡馬克的裝置，在這些方案中脫穎而出。

　　上世紀50年代初，蘇聯物理學家塔姆薩哈羅夫提出，在環形等離子體中通過大電流感應產生的極向磁場跟很強的環向磁場結合起來，便可能實現等離子體平衡位形。莫斯科的庫爾恰托夫研究所在阿齊莫維奇領導下開展了此項實驗研究。他們將這種裝置叫做托卡馬克（Tokamak）。這個詞是由俄語“環形、真空室、磁、線圈”的詞頭組成。托卡馬克的中央是一個環形的真空室，外面纏繞著線圈。在通電的時候，托卡馬克的內部會產生巨大的螺旋形磁場，將其中的等離子體加熱到很高的溫度，以達到核聚變的目的。

　　1968年，在蘇聯諾沃西比爾斯克召開的等離子體物理和受控核聚變研究第三屆國際會議上，阿齊莫維奇發表的在托卡馬克裝置上取得的最新實驗結果引起了轟動。於是，世界范圍內便很快掀起了研究托卡馬克的熱潮。

　　各國不斷傳出好消息

　　各國在托卡馬克裝置上的核聚變研究，不斷取得令人鼓舞的進展。

　　1991年11月9日，歐共體的JET托卡馬克裝置成功地實現了核聚變史上第一次氘-氚運行實驗，在氘氚6比1的混合燃料中，等離子體溫度達到3億攝氏度，核聚變反應持續了2秒鐘，獲得的聚變輸出功率為0.17萬千瓦，能量增益因子Q（即輸出能量與輸入能量之比，Q大於1時，有增益能量輸出）值達0.11-0.12。

　　1993年12月9日和10日，美國在TFTR裝置上使用氘、氚各50%的混合燃料，使溫度達到3億至4億攝氏度，兩次實驗釋放的聚變能分別為0.3萬千瓦和0.56萬千瓦，能量增益因子Q值達0.28。

　　1997年9月22日，聯合歐洲環JET又創造輸出功率為1.29萬千瓦的世界紀錄，能量增益因子Q值達0.60，持續時間2秒。

　　1997年12月，日本宣布，在JT-60上成功進行了氘-氘反應實驗，換算到氘-氚反應，Q值可以達到1.00。后來，Q值又超過了1.25，首次實現輸出能量大於輸入能量。

　　近年來，我國在受控核聚變研究上也取得長足進展。2016年11月2日消息，中國科學院合肥物質科學研究院等離子體所承擔的國家大科學工程“人造太陽”實驗裝置EAST在第11輪物理實驗中再獲重大突破，獲得超過60秒的穩態高約束模等離子體放電。EAST因此成為世界首個實現穩態高約束模運行持續時間達到分鐘量級的托卡馬克核聚變實驗裝置。

　　ITER計劃值得期待

　　1985年，時任美國總統裡根和蘇聯領導人戈爾巴喬夫，在一次首腦會議上倡議開展一個核聚變研究的國際合作計劃。1987年春，國際原子能機構總干事邀請歐共體、日本、美國和加拿大、蘇聯的代表在維也納開會，討論加強核聚變研究的國際合作問題，並達成了協議，四方合作設計建造國際熱核實驗堆。

　　1998年，美國退出ITER計劃。我國從2003年正式加入ITER計劃談判。同期，美國重返ITER計劃。直到2007年，由中、歐、日、韓、俄、美6方組成的ITER國際組織正式成立（印度后來加入）。

　　ITER設計總聚變功率將達到50萬千瓦，是一個電站規模的實驗反應堆。其作用和任務是，用具有電站規模的實驗堆証明氘氚等離子體的受控點火和持續燃燒，驗証聚變反應堆系統的工程可行性，綜合測試聚變發電所需的高熱流與核部件，實現穩態運行。

　　ITER場址設在法國南部埃克斯以北的卡達哈什。2008年，ITER裝置進入實地建造階段。它佔地180公頃，共由39棟建筑組成，實驗堆主體直徑28米，高30米，聚變功率相當於50萬千瓦電站的核反應堆。按當前計劃，ITER裝置預計2019年基本建成，預計2027年開展氘氚聚變實驗。

　　國際核聚變界對ITER計劃及其后聚變能源發展比較普遍的看法是，建造和運行ITER的科學和工程技術基礎已經具備﹔再經過示范堆、商業聚變核電站（商用堆）兩個階段，聚變能商業化將在本世紀中葉或者稍晚實現。 （凌光）