从小白到行家！系统认识核聚变物理与工程（二）—

诚然，视频是一种很好的媒体，但我一直认为，对于希望系统和深入了解某些知识的人而言，采取这种连载方式的图文更能让你平静的感知和深入的思考，今天开始第二章，核聚变的历史。

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玻璃管中进行的绝密实验

对看好又不了解的东西，就是自己先偷偷的搞，可控核聚变方面同样如此。

核武器研究之初，人类就希望把它的能量用于和平目的。裂变是这样，聚变也是这样。美国、英国和前苏联在研制核武器的同时，在２０世纪５０年代初，也秘密的开始了受控热核聚变的研究工作。

在聚变研究初期，各国科学家不约而同的想到要用磁场约束高温等离子体，θ 箍缩（θ-pinch），仿星器（stellarator），磁镜（magnetic mirrors），Z 箍缩（Z-pinch）和托卡马克（tokamak）成为研究磁约束核聚变的主要途径。

图：1950，英国伦敦帝国理工学院最早的z箍缩装置，容器是由耐热玻璃管制成

1951 年苏联科学家伊戈尔·叶夫根尼耶维奇·塔姆（Igor Yevgenyevich Tamm）和安德烈·萨哈罗夫（Andrei Sakharov）提出环形聚变反应堆的设想。在苏联使用大半径 25cm 小半径 3cm的玻璃管进行了小型实验。

1952 年，美国第一次舍伍德（Sherwood）聚变研究方案会议在丹佛举行。在以后几年里，几种不同类型的聚变研究装置在第二次世界大战期间研究原子弹的几个基地得到发展。

图：现在的普林斯顿等离子体物理实验室（Princeton Plasma Physics Laboratory，PPPL），其在核聚变领域的研究目前还处于领跑地位

在普林斯顿（Princeton ）大学，莱曼·斯皮策（Lyman Spitzer）提出了仿星器的概念，并开始了这一途径的研究。在洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory)主要发展箍缩型装置,在劳伦斯利物莫国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)则开始建造磁镜类型的装置。

1955～1956 年，苏联科学家维塔利·德米特里耶维奇·沙夫拉诺夫（V.D.Shafranov）研究了环形放电的平衡和稳定性问题，从而奠定了托卡马克装置的基本理论。苏联在这期间还试验了不同材料的真空室，这也是后来托卡马克取得成功的关键技术问题之一。

图：位于英国哈维尔的零功率热核装置（Zero Energy Thermonuclear Assembly，ZATA）。环形约束管大致居中。外围较大的环形装置是磁铁，用来感应箍缩电流。

1957 年英国环形箍缩装置 ZETA 运行，成为当时世界上规模最大的实验研究设备。

本节出现的几种不同于托卡马克约束的磁约束方式将在后面专门章节详细说明，不是说它们就彻底无用了，而是现阶段，工程实现上托卡马克更现实一点，但以后，有可以这些其它的约束方式会被用于特定的场景，比如星际飞船上的核聚变引擎，因为每种方式都有其突出的优点。

短暂的乐观与各自为战

在 20 世纪 50 年代，聚变和裂变研究所面临的局面是，裂变的军事应用（第一颗原子弹）已于 1945 年实现，作为民用的第一个核电站于 1954 年在苏联奥布宁斯克建成，而在聚变的军用方面，美国在 1952 年试验了第一颗氢弹。

图：印度物理学家霍米·杰汉吉尔·巴巴（Homi Jehangir Bhabha），被称为“印度核计划之父”

按此进度外推，聚变的民用，即聚变堆电站，应在不远的将来实现。当时各国科学家就是这样想的，所以对聚变应用的前途均持乐观态度。例如，在 1955 年的第一届和平利用原子能国际会议上，大会主席、印度物理学家霍米·杰汉吉尔·巴巴（Homi Jehangir Bhabha）说， 20 年内将会找到控制和利用核聚变能的方法，所以各国对此研究均处于严格保密状态。

图：普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的研究人员利用超级计算机进行等离子大规模仿真，等离子湍流是宏观稳定性不好的重要表现

随着研究的深入，科学家们发现用磁场约束高温等离子体要比预想的困难得多。这里主要的障碍是等离子体在磁场约束下的宏观稳定性不好 。

受控聚变反应研究遇到的困难远远超过原来的想象。

在这一时期，已充分认识到通往聚变能源之路的漫长与艰辛。在萨尔茨堡会议上，著名的苏联科学家列夫·阿蒂西莫维奇（Lev Artsimovich，上图右1）在评述实验结果的会议总结中说：“我们都很清楚的是，我们原来相信，通往所需的超高温区域的门只需凭物理学家的创造力用力一推就平稳打开。这已被证明是虚妄的，就像罪人希望不经过炼狱就能进天堂一样。几乎不用怀疑，受控聚变问题最终能够解决，我们唯一不知道的是我们还要在炼狱里停留多久……”此后几十年的历史证明，聚变研究确实不存在捷径。聚变之路遇到的困难不仅在于对物理过程的不了解，也在于工程上所需的强磁场、高真空等技术手段，以及微波、激光、粒子束等加热和诊断设备都有待发展。

谋求合作

为了更好的共同探求克服困难的途径，各国由各自为战转而为开展交流合作，秘密随之被慢慢公开。

1957 年以后，一些关于核聚变的文献开始在刊物上公开发表。1958年在日内瓦召开的第二届和平利用原子能国际会议（上图）上，各国科学家都公布了自己的研究成果并发起国际合作，从此，聚变成为国际合作的主题。

苏联科学家在那年展示了他们编辑的四卷论文集。这一会议的另一成果是开始了国际原子能机构（International Atomic Energy Agency, IAEA）主持的聚变研究国际会议。1961 年第一次国际聚变会议在奥地利的萨尔茨堡召开。此后，在 IAEA 主持下，国际性的聚变能会议形成制度，最初是两年一次，1974 年以后改为三年一次，后又改为两年一次。

托卡马克领跑

某种意见上讲，一开始的聚变研究途径就是在花钱探路，苏联一直在托卡马克装置方向上努力，并押对了大方向。

1958～1959 年苏联研制 T-1 托卡马克装置， 1960 年研制 T-2。T-2 大半径 62.5cm，使用不锈钢波纹管真空室、超高真空，安装铜壳用于稳定等离子体。1964 年他们又研制 T-3 ，在利用强纵场克服等离子体的宏观稳定性上取得突破性的进展。其大半径1米，环向磁场 2～2.5特斯拉，电子温度达到 600～800eV，几个毫秒的能量约束时间超过原来的定标律玻姆时间10 倍以上。

等离子体的离子温度（Ti)、电子温度(Te)，等离子体密度(Ni)和能量约束时间(τE)是磁约束聚变的几个重要指标。温度、密度、约束时间三者的乘积则衡量的是该聚变装置的综合性能指标，被称为三乘积指标。
定标律玻姆时间：早期的一种描述高温等离子体扩散与温度和磁场强度的关系的模型，通俗点讲就是温度越高，约束时间越短，有个极限值，这个值就是定标律玻姆时间。这里说明，实验打破了理论预言的极限。

图：前苏联T-３托卡马克装置

1968 年，苏联在新西伯利亚举行的第三次国际会议上公布了这一惊人的实验成果。翌年英国库勒姆实验室（现在的库勒姆聚变能中心国家实验室）的科学家携激光散射测量装置去苏联 T-3 装置进行实地测量，证实确实能达到很高的电子温度。这一成果震动了国际聚变界，世界对聚变研究的悲观情绪一扫而空。

随后，从20世纪70年代开始，世界上掀起了一股“托卡马克”热，各国将研究的重点转向了托卡马克并开始建造自己的托卡马克。

美国普林斯顿（Princeton ）大学的等离子体物理研究所（PPPL）立即把仿星器 C 装置改成了托卡马克ST ，很快就重复了前苏联 T-３上的结果，随后同时造了三个托卡马克：

绝热环形压缩机（adiabatic toroidal compressor，ATC），

极向偏滤器实验（poloidal divertor experiment，PDX）

普林斯顿大型聚变环（princeton large torus， PLT ）。

横坐标为时间，纵坐标为等离子体密度、能量约束时间、等离子体温度三乘积指标

如上图，以T3为标志，从 1968 年到2008 年，全世界共建造了几十个大大小小不同尺寸、不同要求的托卡马克，把核聚变研究推向了一个新的高度。在数十年里，这个三乘积指标连续保持 1.8 年翻一番的进展速度，超过了摩尔定律所归纳的集成电路容量增长速度。（所以，别老说核聚变没进步，只是因为它太难）

当然，除托卡马克以外的箍缩、磁镜等磁约束方法也在推进，虽说在指标方面跑在了托卡马克的后面，但作为磁约束方法的一种，对人类而言，是一些备选方案，并且在等离子理论达到一定高度后，可能会重新出山，例如，反场箍缩已被用于研究聚变飞船发动机。

图：现如今，科学家们利用超算模拟受控聚变已成为一种极重要的研究手段

更重要的是，此时的高温等离子体有关理论和数值模拟也取得很大进展，而且在聚变研究中显得日益重要。如描述二维等离子体的理想磁流体动力学平衡方程，等离子体波理论，等离子体动理论和不稳定性，新经典输运理论。随着对等离子体过程复杂性的认识和计算机算力的增加，完全的计算模拟也日益受到重视。

动真格

如果说之前的实验更多地是进行单一高温等离子体磁约束（比如单一的氘、单一的氦）的研究，那么，进入到20世纪80年代，几大先发国开始建造接近聚变堆的大型托卡马克了，那就是动真格了，每个装置的投资都是数亿美元，并且开始进行实际的氘-氚聚变实验了（这是很费钱的，并且产生的中子对基础设备有损耗）。

主要有这么4个装置：

① 美国普林斯顿（Princeton ）的托卡马克聚变试验反应堆（TFTR）

② 欧洲卡勒姆（Culham）的欧洲联合环形加速器（JET）；

③ 日本那珂市（Naka）的日本圆环-60（JT-６０）；

④ 前苏联库尔恰托夫原子能所的托卡马克-15 （T-１５）超导托卡马克。

前三个装置达到了“里程碑” ，基本上实现了氘氚燃烧的科学可行性的各项指标。

1991 年，欧洲的JET 装置用 D-T 反应产生 1.7MW 聚变功率。

1993 年，美国 TFTR 装置用 D-T 反应产生6.4MW 聚变功率，后来又将这一功率提高到 10 . 7MW。

1997 年， JET 又创造了 D-T 反应产生 16.1MW 聚变功率的新纪录。

1998 年，日本 JT-60 装置的 D-D 反应（由于核安全原因，日本作为战败国，一直只能进行氘氘实验）的实验参数的等效 D-T 反应能量增益因子 Q （能量输出与输入之比）达到 1.25，离子温度峰值达到 45keV（约4.5亿度），电子温度高于 10keV（约1亿度），电子密度达到每立方米1万亿亿个。（注意日本这个装置达到的离子温度）

直到现在，４个装置都以不同的方式继续运行着，TFTR 于１９９７年关闭，其运转所获得的资料和知识被应用到了新的装置－美国国家球面环实验（National Spherical Torus Experiment (NSTX) ）中了。JET经过持续的升级，目前还在运行中，JT-60 目前已被升级到 JT-60 SA并于２０２１年３月进行综合调试。T-15从２０１０年开始升级为T-15MD，并于２０２０年底完成了启动所需要的物理准备工作。具体情况将在后续章节中详细介绍。

真正的多国合作超大世纪工程

20 世纪 90 年代在托卡马克装置上取得的成就，意味着受控聚变反应的科学可行性已得到验证，在此基础上，建造一台国际合作研究的聚变实验装置

国际热核实验堆

(ITER，International Thermonuclear Experimental Reactor）被首次提出。

图：ITER目前已是一个35国参与的国际大项目

在１９７６年由美苏倡议，在国际原子能机构（ IAEA，

International Atomic Energy Agency）

的框架下，由美国、欧、日、俄共同建造 ITER ，这是一个巨大的科学计划。它的目标是验证稳态的氘氚等离子体自持“燃烧”的科学可行性、聚变反应堆的工程可行性。

但显然这个世纪超大工程不是一蹴而就的，期间几近曲折，ITER光设计就由几百位科学家及工程师花了近１０年，耗资２０亿美元才完成。最初设计费用估算在６０亿美元，而后增加到１００亿美元，而目前ITER官方认可费用增加到了２2０亿美元以上，而美国能源部在2018年估算光建设费用将达到650亿美元，后面还有高额的运营成本（当然，美国有点自己的小酒酒，美国目前已经拖欠现金6500万美元，有点不想干挑毛病的意思）。

作为比较，国际空间站的预算为1000亿欧元，而大型强子对撞机则仅为75亿欧元。

因为造价过高且看似无底洞的预算增加，加之政治原因、选址以及技术原因（如对托卡马克的转换效率的低期望），ITER曾一度停摆，１９９０～２０００年在美国宣布退出 ITER ，其他伙伴国又提出 ITER 的改进设计ITER瘦身版（ITER－ＦＥＡＴ），从２００３年起，中国政府拟定参加ITER ，随后美国又宣布重新加入，韩国也声明参加。

ITER最终于２００６年确定选址在法国，并于2007年正式破土动工，目前主体工程已经封顶并开始装配，计划在2025年进行第一次热机（注入等离子），2035年正式开始氘氚聚变运营

ITER将是第一个长时间保持聚变的设备。根据其技术手册，阶段目标是实现400-600秒超长脉冲聚变，产生50万千瓦的电能，相当于450万千瓦时的电能输出，这个发电量大约相当于大亚湾核电站（核裂变）总装机容量的1.5倍，三峡水电站总装机容量的1/5，远期目标是保持长时间稳态运行，当然，它的主要目的仍然是研究，不会用来发电，只不过是商业发电规模的研究，为人类的第一个聚变商业发电站作技术准备。