漫话托卡马克核聚变（1）
胡经国
一、
托卡马克（Tokamak）核聚变，又称为超导托卡马克可控热核聚变，是核物理学重要理论之 一，也是实现核聚变反应与核聚变能的重要途径之一。
下图为托卡马克核聚变概述图（图源：网络）。
托卡马克核聚变，是指利用氢的同位素氘或氚，在特定环境和超高温条件下使其实现核聚变反应，以释放巨大的核聚变能。世界各国科学家为此已从20世纪中叶开始了相关研究开发。
托卡马克核聚变基本信息如下：
中文名：托卡马克核聚变
外文名：Tokamak
性质：核聚变
发明时间：20世纪50年代
托卡马克（Tokamak）核聚变是利用“磁约束”来实现的受（可）控核聚变。它的外文名字“Tokamak”来源于环形（Toroidal）、真空室（Kamera）、磁（Magnet）和线圈（Kotushka）这四个外文单词中的To-ka-ma-k。最初，托卡马克核聚变是由前苏联库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。
托卡马克核聚变装置的中央是一个“环形的真空室”，其外面缠绕着“线圈”；当通电时，托卡马克装置的内部会产生强大的“螺旋型磁场”，将其中的“等离子体”加热到很高的温度，以达到实现“核聚变反应”的目的。
链接：等离子体
等离子体（Plasma），又叫做电浆，是指由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子所组成的“离子化气体状物质”，是其尺度大于“德拜长度”的“宏观电中性电离气体”；其运动主要受电磁力支配，并且表现出显著的集体行为。等离子体广泛存在于宇宙中，常常被视为是除了固体、液体、气体以外，物质存在的第四种状态。等离子体是一种很好的导电体；利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境空间、空间物理、地球物理等科学的进一步发展提供了新的技术和工艺。
等离子体是不同于固体、液体和气体的物质第四态。物质由分子构成，分子由原子构成，原子由带正电的原子核和围绕它的、带负电的电子构成。当被加热到足够高的温度或其他原因，外层电子摆脱原子核的束缚成为自由电子，就像下课后的学生跑到操场上随意玩耍一样。电子离开原子核，这个过程就叫做“电离”。这时，物质就变成了由带正电的原子核和带负电的电子组成的、一团均匀的“浆糊”，因此人们戏称它为“离子浆”。在这些“离子浆”中正负电荷总量相等，因此它是近似电中性的，所以就叫“等离子体”。
二、超导技术在托卡马克核聚变中的应用
大家知道，占发电量比重较大的核电站是在控制之下的核裂变能利用。托卡马克核聚变，是通过“约束电磁波驱动”，来创造氘与氚实现核聚变反应的环境和超高温，并且实现人类对核聚变反应的控制。
受控热核聚变在“常规托卡马克装置”上已经实现。但是，“常规托卡马克装置”体积庞大、效率低，突破难度大。上世纪末，科学家们把新兴的“超导技术”用于托卡马克核聚变，从而使其基础理论研究和系统运行参数都得到了很大的提高。
三、托卡马克核聚变研发背景
1、能源需求
众所周知，能源是经济和社会发展的基石。以煤炭、石油、天然气等化石能源替代柴薪的第一次能源革命带来了经济和社会的飞速发展。然而，这些宝贵的资源就这样被燃烧掉，同时造成了严重的污染。据估计，100年之后地球上的化石能源将会面临枯竭。面对着即将来临的能源危机，人类有了一个共同的梦想——寻求一种无限而清洁的能源来实现人类的持续发展。
2、实现核聚变的条件
托卡马克核聚变研究举步维艰，其根本原因是“轻元素原子核的聚合”远比“重元素原子核的分裂”困难得多。原子核之间的吸引力是很强大的；但是原子核都带正电，又互相排斥。只有当两个原子核之间的距离非常接近，大约相距只有万亿分之三毫米时，它们的吸引力才大于静电斥力，两个原子核才可能聚合到一起发生核聚变反应，同时放出巨大的能量。因此，首先必须使核聚变物质处于“等离子状态”，让它们的原子核完全“裸露”出来。然而，两个带正电的原子核越互相接近，它们之间的静电斥力也越大。只有当带正电的原子核达到（具有）足够高的动能时，这需要几千万甚至几亿摄氏度的高温，它们的碰撞才有机会使它们非常接近，从而产生聚合。
3、需要获得“增益的能量”
1933年，人们用“加速器”使原子核获得所需的动能，在实验室实现了核聚变。可是，从这样的核聚变中得到的能量比加速器消耗的能量要小得多，根本无法获得“增益的能量”。
4、非可控核聚变的实现
1952年，美国用原子弹爆炸的方法产生高温，第一次实现了大量氘与氚材料的核聚变。但是，这种方法的效果是，在极短时间内使核聚变释放出巨大能量，产生强烈爆炸，即氢弹爆炸。人类需要和平利用核聚变，必须是可以控制的核聚变过程。
5、可控核聚变的实现
核聚变反应比较切实可行的控制办法是，通过“控制核聚变燃料的加入速度及每一次的加入量”，使核聚变反应按一定的规模连续或有节奏地进行。因此，在核聚变装置中的“气体密度要很低”；只能相当于常温常压下气体密度的几万分之一。另外，“对能量的约束要有足够长的时间”。
6、核聚变物质装在什么容器里
二战末期，前苏联和美、英各国曾经出于军事上的考虑，一直在互相保密的情况下开展对核聚变的研究。几千万、几亿摄氏度高温的核聚变物质装在什么容器里一直是困扰人们的难题。
7、磁约束核聚变研究
1954年，第一个托卡马克装置，在原苏联库尔恰托夫原子能研究所建成。当人们提出这种“磁约束”的概念以后，“磁约束核聚变研究”在一些方面的进展顺利，氢弹又迅速试验成功，这曾经使不少国家的核科学家一度对受控核聚变抱有过分乐观的态度。
8、核聚变问题复杂、研究艰难
但是，人们很快发现，“约束等离子体的磁场”，虽然不怕高温，可是却很不稳定。另外，等离子体在加热过程中能量也不断损失。经过了20多年的努力，远未达到当初的乐观期望。在理论上估计的等离子体约束时间与实验结果相差甚远。人们开始认识到，核聚变问题复杂，研究艰难。
9、开展国际学术交流
在这种情况下，前苏联、美国等国感到保密不利于研究的进展，只有开展国际学术交流，才能推进核聚变的深入研究。另外，磁约束核聚变与热核武器在科学技术上没有重大的重叠，而且其商业应用的竞争为时尚早。于是，1958年秋，在日内瓦举行的第二届和平利用原子能国际会议上达成协议，各国互相公开研究计划，并且在会上展示了各种核聚变实验装置。
10、核聚变研究进入新的高潮期
从这次会议以后，研究重点转向“高温等离子体的基础问题”。从20世纪60年代中到70年代，各国先后建成了很多实验装置，核聚变研究进入了一个新的高潮期。人们逐渐了解，影响磁约束及造成能量损失的各种机理，摸索出克服这种不稳定性及能量损失的对策。随着核聚变研究的进展，人们对受控核聚变越来越有信心。
（未完待续）
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