“托卡马克”路漫漫----受控核聚变发展的艰难历程和光辉前景

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1、“托卡马克”路漫漫----受控核聚变发展的艰难历程和光辉前景二十世纪后半叶，各种类型的核电站在世界范围内得到了异常迅速的发展。它们的原理都一样，利用铀等大原子量的重元素原子核的裂变，释放出巨大的能量，这就是人们所说的重核裂变，简称核裂变。然而，事实上在元素按原子量大小排列的另一端，小原子量的轻元素氢的原子核的聚合，也会产生巨大的能量。在氢原子核的聚合中，又以它的同位素氘和氚的原子核的聚合最容易实现。它被称为轻核聚变，简称核聚变。理想的新能源早在1933年，既发现核裂变现象五年前，人类就发现了核聚变。虽然核裂变比核聚变发现得晚，但是很快就实现了核裂变爆

2、炸。随着受控核裂变发电获得成功，世界范围内大规模核电站建设迅速展开，并投入商业运行。　　在核聚变实现后，同样，人们也试图能和平利用受控核聚变，如建立受控核聚变发电厂。与利用核裂变发电相比，利用受控核聚变的能量来发电具有许多优点：一是理论和实践都证明，核聚变比核裂变释放出的能量要大得多；二是资源蕴藏丰富，作为重核裂变主要原料的燃料铀，目前探明的储量仅够使用约一百年，而轻核聚变用的燃料氘在海水中储藏丰富，1升海水可提取30毫克氘，通过聚变反应能释放出相当于300公升汽油的能量。可谓取之不尽，用之不竭；三是成本低，1公斤浓缩铀的成本约为1.2万美元，而1公

3、斤氘仅需300美元；四是安全可靠，万一发生事故，反应堆会自动冷却而停止反应，不会产生放射性污染物，不会发生爆炸事故。但是，人类发现核裂变半个多世纪过去了，受控核聚变的研究进展缓慢，与受控核裂变的研究情况不同，受控核聚变至今还没有实现可利用的能量输出。认识“托卡马克”受控核聚变研究举步维艰，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。原子核之间的吸引力是很大的，但原子核都带正电，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同时放出巨大的能量。因此，首先必

4、须使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，以致产生聚合。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。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、氚材料的核聚变。但这种方法的效果是，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

5、类要和平利用核聚变，必须是可以控制的聚变过程。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，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。二战末期，前苏联和美、英各国曾出于军事上的考虑，一直在互相保密的情况下开展对核聚变的研究。几千万、几亿摄氏度高温的聚变物质装在什么容器里一直是困扰人们的难题。二十世纪五十年代初期，前苏联科学家提出托卡马克的概念。托卡马克（TOKAMAK）在俄语中是由“环形”、“真空”、

6、“磁”、“线圈”几个词组合而成，这是一种形如面包（多纳）圈的环流器，依靠等离子体电流和环形线圈产生的强磁场，将极高温等离子状态的聚变物质约束在环形容器里，以此来实现聚变反应。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。但人们很快发现，约束等离子体的磁场，虽然不怕高温，却很不稳定。另外，等离子体在加热过程中能量也不断损失。经过了二十多年的努力，远未达到当初的乐观期望，理论上估计的等离子

7、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的复杂和研究的艰难。在这种情况下，苏、美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，并在会上展示了各种核聚变实验装置。自这次会议后，研究重点转向高温等离子体的基础问题，从二十世纪六十年代中到七十年代，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

8、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