里程碑式突破！史上首次实现核聚变“净能量增益”
杭州网 发布时间：2022-12-14 08:40
五大难题
上亿摄氏度高温
要让两个原子核接近到万亿分之三毫米，必须使它们处于等离子状态运行，互相撞击。这需要超高温。
要控制核聚变反应，就要限制规模，有节奏地进行。科学家认为，可行的办法是，控制核聚变燃料的加入速度和每次加入的数量。
因此，核聚变装置中，气体密度只能在常温常压下气体密度的几万分之一，对能量的约束，也要有足够长的时间。
比如，一个箱子中装的乒乓球越多，乒乓球互撞的概率越大。但不能让乒乓球密集碰撞，免得无法控制，发生氢弹爆炸，那就要减少乒乓球数量。乒乓球太少，但又必须让它们碰撞，这样就要让乒乓球加快运动。
在核聚变装置中，加快运动的方法是提高温度。
温度如果有太阳中心那么高，在充满氢的太阳上是足够发生聚变反应了，在人类发电用的核聚变反应堆中则不够，需要上亿摄氏度的高温。
这样高的温度，怎么达到呢？氢弹是用原子弹爆炸来“点火”的，可是总不能向热核反应堆扔个原子弹吧，那样的话，温度有了，其他什么都没了。
这是核聚变首先遇到的难题。
科学家的办法是用激光“点火”。激光输出功率达到100万亿瓦时，就可以点燃核聚变，使物质达到极高温。
装太阳的托卡马克
高温是获得了，更难的难题也来了：
怎么让高温保持一段时间以便达到聚变？
这就像是说，用什么材料做成的容器，才可以装下太阳？甚至装下比太阳温度更高的东西？
苏联物理学家塔姆在上世纪50年代提出建造这一容器的设想：将强电流产生的极向磁场，与环形磁场结合，来约束高温等离子体。
另一名苏联物理学家阿奇莫维奇试做了几个。他先是在环形陶瓷真空室外，绕很多线圈，用电容器放电，使真空室形成环形磁场。同时用变压器放电，使等离子体电流产生极向磁场。后来用不锈钢代替陶瓷，改进线圈工艺，增加线圈。终于，他造出了一个高温等离子体磁约束装置。阿奇莫维奇把它命名为托卡马克。
托卡马克中形成的磁场，又叫磁瓶或磁笼，它不接触有形物体，因此不怕高温，可以把超高温等离子体举在空中。
抓住高温等离子体
托卡马克同时解决了第三个难题：等离子体扩张问题。
超高温的等离子体，有强烈向外扩张的特性，必须约束住它们，绝对不让它们与四周容器壁接触。
托卡马克的总磁场，由大小两个磁场叠加而成：
一个是沿大环形的圆形磁场，磁力线沿大圆环旋转；
另一个是沿圆环截面的小环形弱磁场，磁力线沿小圆环缓慢旋转。
这样磁力线形成螺旋线。正离子和电子在磁场中各绕一圈，互换了位置，但整体还是保持电中性。
在磁场约束下，高温等离子体不会向外逃逸，也就不会破坏托卡马克的装置。
普通托卡马克装置体积庞大，效率也较低。上世纪末，科学家把超导技术用于托卡马克装置，使基础理论研究和系统运行参数得到很大提高。
放电时间
可控核聚变的第四大难题，是放电的持续时间。
以前，世界上大多数托卡马克装置都是数秒级的放电，后来法国的超导托卡马克Tore-Supra，首先取得重大成果，第一次将放电时间延长到120秒。据报道，目前中国的HT-7超导托卡马克已突破1000秒。
买卖总是从蚀本开始
上世纪70年代后，世界上掀起了托卡马克的研究热潮。到上世纪80年代，美国、欧洲、日本和苏联各自建造了一个大型托卡马克。这4个托卡马克，在可控核聚变研究上，都做出了极其重大的贡献。
建在英国的欧洲联合环（JET）是由14个欧洲国家合资的。
1991年11月，JET将含有14%的氚和86%的氘混合燃料加热到3亿摄氏度，聚变能量约束时间达2秒，反应持续1分钟，产生1018个聚变反应中子，聚变反应输出功率约1.8兆瓦。1997年9月，又创造了新纪录：输出功率达12.9兆瓦，达到输入功率的60%。
——60%？输入100瓦，输出60瓦？这不是蚀本买卖吗？
所以，第五大难题是，如何让核聚变在能量上不亏损，获得“能量净利润”。
来源：都市快报 作者：记者 钟松君 金弘彬 编辑：高婷婷
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