为什么托卡马克装置的内部比太阳热

中国核工业集团公司西南物理研究所工作人员在安装调试中国循环器2号M装置时，进行了环向励磁线圈外弧段的吊装工作(由中国核工业集团公司西南物理研究所提供)

核电系列报告

在地球上进行的一些可控核聚变研究的等离子体密度只有太阳核心密度的百分之一左右，因此需要将等离子体加热到几亿摄氏度的高温，这样就可以大大提高聚变反应的概率，从而用少量的聚变燃料就可以产生足够的聚变能量。

3月15日，中国首个ITER(国际热核聚变实验堆)氦冷固态实验包壳系统项目在中国核工业集团公司西南物理研究所启动，标志着中国在ITER的氚生产技术试验进入了具体实施阶段。很久以前，由江西研究人员自主设计、制造和运行的“人造太阳”实验研究装置——正式投入运行，实现了首次成功排放。

江西省聚变能与信息控制重点实验室钱玉忠博士介绍说，球形托卡马克装置是我国第一个可以通过压缩聚变启动等离子体流的球形托卡马克装置。江西省将围绕球形托卡马克装置模拟空间辐照环境的特点，积极开展交叉应用研究。

托卡马克的原理是什么，为什么能释放巨大的能量？随着托卡马克核聚变装置研究传来的好消息，我们离完全掌握受控核聚变的奥秘还有多远？

实现可控核聚变以克服库仑排斥是关键

众所周知，核能的释放通常取决于核聚变和核裂变。

核裂变就是把较重的原子核分裂成较轻的原子核，释放能量。20世纪50年代初，苏联建造了世界上第一座核电站，并成功实现了基于核裂变的核能和平利用。

核聚变是较轻的原子核聚合产生较重的原子核。这个过程伴随着质量损失。根据爱因斯坦的质能方程E=mc2，失去的质量会转化为巨大的能量。以目前地球上最容易实现的氘氚聚变反应为例，每升海水可以提取的氘(约0.03 g)通过聚变反应可以释放出相当于燃烧300升汽油所产生的能量。

但由于原子核带正电，所以受库仑斥力的影响，原子核之间的距离越近，斥力越强。只有两个向相反方向运动的较轻的原子核有足够高的能量，才能克服库仑排斥，彼此靠得足够近，使短程原子核之间的引力发挥主要作用，最终汇聚成较重的原子核，释放出高能中子。

与核裂变相比，在地球上实现核聚变反应要求非常高。首先要达到几亿摄氏度的高温；还需要保持足够高的燃料密度，以增加原子核碰撞和核聚变反应的概率；此外，高温和高密度条件必须保持足够长的时间，以保持核聚变反应的进行。

通过磁约束核聚变释放巨大能量

作为地球上生命赖以生存的能源，核聚变随时都在太阳内部进行。在这个反应过程中，它的中心温度只有1500万摄氏度左右。但是要在实验室实现可控核聚变，温度需要达到1亿摄氏度以上。为什么两者差别这么大？

中国核工业集团公司西南物理研究所所长段旭如解释说，太阳巨大的质量(约为地球的33万倍)导致其强大的引力，太阳依靠这种强大的引力来约束高温燃料离子，实现核聚变反应。

另外，虽然太阳核心的温度只有1500万摄氏度左右，但离子通过碰撞发生聚变反应的概率比1亿摄氏度条件下要低得多。理论上，太阳内部每单位质量燃料的聚变反应速率极低，平均一吨太阳能材料只能产生瓦特量级的功率。但由于太阳质量很大，即使聚变反应是小概率事件，太阳产生的聚变反应和能量还是很可观的。

目前在地球上进行的一些可控核聚变研究的等离子体密度只有太阳核心密度的百分之一左右。因此，等离子体必须被加热到几亿摄氏度的高温，这样聚变反应的概率才能大大提高，从而用少量的聚变燃料就能产生足够的聚变能量。

以托卡马克为代表的磁约束聚变是一种可控核聚变。段旭如告诉记者，这种装置利用大电流线圈在环形真空室中产生强磁场。大量温度超过1亿摄氏度的燃料，在高温下电离成由电子和离子组成的等离子体，会沿着磁力线做圆周运动。磁场越强，圆周运动半径越小。比如在20000高斯的强磁场下，1亿摄氏度高温等离子体中离子的回旋半径只有几毫米，而目前大型托卡马克装置真空室中的等离子体半径在米的数量级。这样，高温等离子体可以长时间被限制在强磁场的环形真空容器中，不与真空室壁直接接触。在这样的极端条件下，燃料离子会发生聚变反应，释放出巨大的能量。

磁约束核聚变产生的能量主要由高能粒子(氦核)和高能中子释放。其中，高能粒子携带的能量主要用于加热聚变燃料(等离子体)以维持聚变反应所需的数亿度高温，而高能中子则在真空容器周围的包层部分减速，其能量沉积在包层内，由介质通过热交换导出，热能传递到装置外部。最后，热能由汽轮机转化为电能，传输到外部电网提供能量。

为ITER实验操作积累经验

拥有世界上最大、影响最深远的国际科研合作项目之一

ITER是国际上首个反应堆规模的核聚变实验研究设施，也是各国聚变能发展路线图中的关键设施。目前国际上正集中力量完成ITER采购包等任务，并保障资源，确保ITER的成功建设与运行。

段旭如告诉记者，现阶段，国际上一方面利用现有的磁约束聚变研究装置，开展聚变等离子体物理、运行及相关技术研究，尤其是与ITER相关的一些先行物理实验及有关技术研究；另一方面正在积极谋划并开展未来聚变堆关键技术的研发。

我国现有的主要磁约束聚变研究装置包括已运行多年的中国环流器二号A装置（HL-2A）与EAST两大托卡马克装置，以及华中科技大学的J-TEXT、清华大学的SUNIST、中科大的KTX等实验研究装置。它们均为我国参加ITER建设及为聚变研究领域培养人才作出了贡献。

2020年我国建成的规模大、参数高的先进托卡马克装置中国环流器二号M装置（HL-2M），采用了更先进的结构与控制方式，可实现高密度、高比压、高自举电流运行，特别是具备在兆安级等离子体电流条件下实现多种先进偏滤器位型的独特能力。

“我国将充分利用这些装置，为ITER实验运行积累经验，掌握相关技术，锻炼和培养人才队伍，为我国深度参与ITER计划及未来自主设计建造聚变堆提供重要的技术支撑。”段旭如说。