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核聚变能是宇宙中恒星发展的主要能源。太阳辐射主要来自其内部持续的核聚变反应。因而当今人类利用的主要是产自以前太阳内部的聚变反应，并通过各种方式储存至今日的太阳能。人类所拥有的威力最大的炸弹——氢弹，也是引发核聚变产生的能量。因而可以这样讲，人类至今所接触的最大规模的能源，都是不可控的聚变能。 从20世纪40年代开始，人们就试探如何控制核聚变反应，从而直接广泛地应用聚变能。正是因为受控热核聚变研究有可能最终解决人类能源问题，很多国家都投入了相当大的人力、物力。50年过去了，人们充分认识到，受控热核聚变的研究可能是人类科学史上最困难、最富有挑战性的课题。据不太保守的估计，大约还要50年才能实现聚变能的商业化。前后用近百年时间及数千亿美元的投资，使核聚变反应由“不受控”变为“受控”，从而从根本上解决人类能源问题。这表明受控热核聚变研究不同于其它各种大型的科学技术研究项目。  核聚变反应远较核裂变反应困难的原因在于，两个聚合的原子核都带正电核，相互排斥，因而需要有很高的动能（很高的温度）才能相互接近；而裂变是一个原子核与中子作用，二者不相互排斥。聚变反应中最容易实现的D+T反应也要求氘氚混合气体温度高达数千万度。D+D反应要求氘气温度更在1亿度以上。这也是为什么各种“冷聚变”过程都不可能产生足够数量（例如每秒10^19次）聚变反应的原因。在这样高温下气体分子早就离解成原子核（离子）和电子。这种由离子（带正电）及电子（带负电）混合组成的气体称之为等离子体。实现受控热核聚变的根本困难即在于如何将如此高温的等离子体约束在一定体积内，使之稳定地产生聚变反应。在太阳内部，氘与氚离子都是被重力约束在很大但有限的区域内持续地维持聚变反应，产生的聚变能被辐射向各方。  受控热核聚变能之所以长时间受到各国的重视，是因为它具有下列别种能源无法抗衡的优点： 1.聚变反应所产生的能量远大于化学反应能，甚至可达百万倍。 2.燃料资源极丰富。每50升海水中即含1克氘。而在发达国家中，每人一生所消耗能量只需10克氘及15克氚（由30克锂产生）。地球上用以生产氚的锂资源可供人类用1000年以上。对D+D反应，燃料更是无限的。 3.聚变反应堆（不论何种设计）应该是内禀安全的。发生事故时反应堆极易关闭。 4.不产生大气和环境污染，也不产生温室效应气体。 5.结构材料虽然能被中子活化，但其放射性产物很少而且都是短寿期的。因而聚变反应堆可以认为是无放射性污染的。 人们认识到，在下世纪由于种种原因而必将最终要解决能源的需求问题： 1.发展中国家经济，或前或后的快速增长导致世界范围内对能源需求相应的高速增加。 2.世界人口在下世纪达到饱和前，预计还将有数十亿的增加。 3.化学能源（煤、石油、天然气等）的资源有限，更大规模的燃烧将导致全球气温及环境的急剧恶化。 4.其它能源（水力、风力、太阳能、地热等）相对于人类对能量的巨大需求都只能解决很局部的一些问题。原子能（核裂变能），由于其非内禀安全，以及大量的长寿期核废料问题，也很难用以从根本上解决人类能源问题。 在世界很可能产生严重的能源危机的情况下，对受控热核聚变能的开发（尽管可能长期而困难）自然会始终被放在一个重要的地位上，将始终是世界科学技术发展中最重要的课题之一。 实现受控热核聚变主要有两种可能的途径，即惯性约束和磁约束途径。目前两种途径的研究都在大规模地开展，还不能完全肯定，未来实用的聚变堆将采用何种途径。 惯性约束 粗略地讲，惯性约束途径就是用各种方法引爆毫米或亚毫米尺寸的氘氚小球，并使小球中的大部分氘氚都能产生聚变反应。引爆的方式目前主要是多路高功率激光束同时从各方向聚焦到小靶球上，使之被压缩并升瘟到上千万度高温。通常称为激光核聚变。人们设想，将来聚变电站将是以很高的重复频率来引爆这种小型的“氢弹”（如果每次爆炸产生一度电的能量，则每秒进行50~100次爆炸就相当于一个百万千瓦的电站）。此外也很容易理解，在全面禁止核爆炸实验的今日，激光核聚变实验成为唯一能较全面地模拟氢弹爆炸实验的可能途径，因而也受到各国国防系统的重视和支持。美国最近投资10亿美元建造一个大型激光核聚变实验系统（NIF），主要目的也就在于模拟核爆。 为了使靶球中的氘氚反应能充分而且有效，必须对整个激光核聚变过程（包括各种激光束与靶球，以及靶球加热、压缩后形成的等离子体之间的相互作用；等离子体在激光驱动下的运动过程；离子和电子的加热过程、辐射过程和彼此间的相互作用等等）进行深入的研究，求得充分的认识。如果注意到这些在三维空间中的复杂过程的空间尺度是亚毫米级，而时间尺度是10^-8~10^-9秒级，则实验研究的困难是可想而知的。现在有一些过程还可能用计算机来模拟，当然也要用到最大型的计算机。这些研究将最终反映到靶球的设计及对激光输出的要求上。 从能源角度考虑，惯性约束途径很大程度上依赖于激光技术的发展。对聚变堆规模的激光系统来说，单个激光脉冲总能量约在1MJ以上，功率高达10^15瓦。当然，在未来几年内是有可能建造这种能量与功率水平的固体激光系统的，但电光转换效率很低，两次激光输出的问隔约需数小时。如何建立重复频率高达到施以上的这种规模的激光器，目前还未有具体途径。有人试探用离子束来取代激光，但结果似不太理想。 磁约束 磁约束是唯一能在地球上将高温等离子体约束在一有限空间，使之持续产生聚变能的途径。早已知道，带电粒子（离子和电子）在强磁场中都是沿着磁力线作螺旋进动，因而等离子体至少在垂直于磁场的二维方向上是被约束的。如果将磁力线设计成闭合环状，则可以形成一个闭合的“磁笼”。其实地球上空的电离层就是被地球的磁偶极场所约束的。下图就是目前主要磁约束核聚变装置——托克马克的示意图。用变压器产生的环形磁场将高温等离子体约束在环形真空室内。等离子体环中有兆安级的等离子体电流用以抑止等离子体环的漂移并加热等离子体。当然光靠电流不足以将等离子体加热到聚变温度，因而还需要佐以数十兆瓦的射频波，微波或强流中性粒子束加热等离子体。不论是电流还是其它辅助加热，都将使离子和电子偏离平衡分布（麦氏分布）。  50年代发明托克马克以来，各国科学家对其中等离子体的研究已历经近40年。从开始改善真空室器壁条件及研究如何维持等离子体平衡，人们在愈来愈大、参数愈来愈高的托克马克上研究： ·等离子体作为磁流体的平衡和稳定特性，寻求能抑制导致等离子体4快速崩溃的磁流不稳定性； ·等离子体能量和位子的损失机制，逐步改进等离子体的约束； ·高温等离子体和固体器壁的相互作用以及等离子体的边界过程，寻求减少金属离子的流入； ·等离子体与高功率电磁波或高能强流粒子束的相互作用过程，发展有效加热等离子体的各种方法； ·发展各种测量等离子体参数的空间分布及时间变化行为的所谓“诊断系统”； ·研究如何长时间维持等离子体的平衡，等离子体的电流以及等离子体较高的温度等，从而为稳态聚变堆奠定科学基础。 …… 在70年代以前，还开展了多种磁约束途径的研究，如直线及环形磁箍缩、磁镜、仿星器、皱折环……等。但大部分途径都无法与托克马克竞争，因而逐个被放弃。目前仅有仿星器途径在较少规模上与托克马克并存。仿星器的基本形态很类似于托克马克，只是用绕在环面上的线圈替代等离子体电流。  伴随着对等离子体愈来愈深入的了解，人们建造一代又一代愈来愈大的托克马克，并在它们的上面得到愈来愈高的等离子体参数。几十年来，国际上所有的努力聚焦于一点：达到聚变得失相当条件，即聚变反应产生的功率可以补偿为维持聚变条件从外界输入等离子体的功率之比。这也可以看成是检验聚变堆的科学可行性。到90年代初，在几个大型的常规托克马克（美国Princeton的TFTR；欧洲联合环JET）上，纯氘等离子体的参数已可达到得失相当条件，并可持续1秒左右。但是在超导托克马克上做高参数长脉冲实验还遇到了很多问题。其中如“如何长时间维持托克马克等离子体电流”等在仿星器途径中并不存在。但诸如“如何长时间维持好的等离子体的约束状态”、“如何控制向外的热流而不损坏真空室器壁”等则是各种途径都需要考虑的。对于与这些问题有关的物理课题的研究，还必须进一步加强。 建造大型核聚变实验系统需要综合多种高新技术，如各种特殊要求的材料、超大功率脉冲电源技术、大功率射频波及微波技术、保温及超导技术、激光技术等，其中有很多本身就是被聚变研究所推动发展起来的，如大功率毫米波技术、强流离子和粒子束技术等。80年代中期，随着研究聚变堆科学可行性论证的进展，聚变堆技术研究（如聚变堆概念设计、包层结构及技术、聚变中子与第一壁的作用等）也已较大规模地展开。80年代末，美、俄、欧、日还决定建设“国际托克马克聚变实验堆”（ITER）。为此已合作开展了大量工作。目前ITER的工程设计已基本结束。尽管受已有研究结果的限制，整个实验堆的规模很大（总投资约需70~80亿美元），但从技术上看，ITER应该是可以建造的。ITER计划开始了受控热核聚变研究的新阶段，即开始了工程可行性的研究。当然，前面提出的很多科学问题还需要在今后尽快解决。但可以认为，这些都属于建立“实用聚变堆”的科学基础。 由于托克马克途径在实现稳态运行方面还存在较大困难，目前仿星器研究还在以较大的规模展开。德国和日本都在建造价值数亿美元的大型装置。未来仿星器途径研究是否需要进一步扩大，一方面取决于在这些大型仿星器上的实验结果，另一方面也取决于托克马克途径能否尽快解决稳态运行问题。  受控热核聚变研究已经持续了近50年，走过的道路是十分曲折的。人们不止一次地提出了实现聚变能的时间表，但随后就被研究工作的进程所否定。每次曲折都显示了人们对高温等离子体运动的复杂性还远不够了解。由于人类尚没有面对过这样一种研究课题（即经历这么长时间、涉及这样多领域后仍然距离直接目标很远），因而社会公众对于热核聚变研究失去耐心是可以理解的。各国对核聚变研究的支持也受当前能源需求状态的变化影响，但受控热核聚变研究直接指向最终解决人类能源问题，从长远来看是人类不能回避的。50年的进展至少论证了科学可行性，也就是说，目标是一定能达到的，只是达到的进程有时快，有时慢一些。从现在已掌握的科学和技术知识以及从下世纪人类能源需求大幅度增长的趋势来看，在下世纪将筑一氟聚变能实用化是完全可能的，也是会得到各国愈来愈大的支持的。  受控热核聚变研究推动了等离子体物理的发展，或者可以说，现代等离子体物理（至少部分地）起游于核聚变研究。受控核聚变研究要求建造大大小小产生和维持高温等离子体的装置。在研究过程中还发展了各种先进的诊断手段。受控核聚变研究以及人造地球卫星升空，给等离子体物理创造了在地面及在宇宙空间极好的研究条件。现在我们对等离子体的认识和早期一些简单理论分析相比，是有本质差别的。将现代等离子体物理的起源归之于聚变研究及利用人造地球卫星探测日地空间环境是一点不过分的。现代等离子体物理有着非常广泛的应用前景。只举几个例子：在微电子学亚微米技术中，大部分刻蚀和镀膜都是用了等离子体技术；电弧技术及应用都有了巨大的突变；离子束技术在材料科学，在生物、特别是农业上，都有了非常重要的应用，等等。今天，等离子体物理已经成为物理学的一个重要分支。 整理不易，欢迎打赏  霍裕平，1937年8月生于北京，1959年毕业于北京大学物理系，同年进入中国科学院北京物理所理论研究室工作。六七十年代的一些平隐间隙，他在光学、统计物理、等离子体理论等多方面做出了一些带有独创性的研究工作。1982年起任等离子体物理所所长兼中国科学院合肥分院院长，在他领导下等离子体物理所的聚变研究工作育了巨大的进展，于1994年建成世界第三大超导托克马克HT-7；1996年初辞去所有职务到郑州大学当教授。博士生导师，中国科学院院士。曾任中国物理学会常务理事、《中国科学》、《物理学报》等多种刊物编委、国家学位评审组物理组成员。1979~1980年在美国普林斯顿高等研究院工作。 参考书目 本书编写组. 21世纪100个科学难题[M]. 吉林人民出版社, 1998. |
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