“小太阳”——人类新能源的曙光

科学传播网 2017-07-06 作者：肖攀峰

　　据央视新闻消息，中国科学院等离子体物理研究所7月4日宣布，我国的超导托卡马克实验装置EAST——“人造太阳”在全球首次实现了上百秒的稳态高约束运行模式，为人类开发利用核聚变清洁能源奠定了重要的技术基础。这次实验，稳态高约束运行时间达到了设计值的1/10。

　　等离子体？托卡马克？EAST？这些名词是不是听得人一脸懵逼，科学传播网小编今天帮你逐一解惑，让你不再被这些专业名词搞得晕头转向、云里雾里。

　　1.核聚变（Nuclear fusion）

　　核聚变，又称核融合、聚变反应、热核反应，是将两个较轻的核结合而形成一个较重的核和一个很轻的核（或粒子）的一种核反应形式。

　　根据爱因斯坦质能方程E=mc2，核反应过程中出现的质量亏损，将转化为巨大的能量释放出来。最常见的核聚变反应是一个氘核（2H，氢的同位素之一）和一个氚核（3H，氢的另一种同位素）在一定条件（极高的温度）下反应，生成一个氦核（4He），并放出一个中子。

　　氘氚核聚变反应

　　核聚变分为不受控的和受控的两类。不受控的核聚变反应最典型的是氢弹的爆炸；受控的核聚变反应在自然界里也存在，例如太阳和其他主序恒星（天文学的一个概念，类似太阳的一类恒星，位于赫罗图上的主序带），通过内部的核聚变反应，使得恒星持续发光发热。太阳等主序星内部的核聚变是通过恒星自身极其强大的引力来约束参与核聚变反应的等离子体的，使炽热的高温等离子流体不随处乱跑，并使其热核反应过程可控（例如太阳已经燃烧了50亿年，还将继续稳定燃烧50亿年），而不是像一颗超级大号的氢弹（太阳每秒释放的能量相当于10亿颗广岛原子弹爆炸的能量，把这个数字乘以50亿年才是太阳剩余寿命的全部核燃料的能量，是一个天文数字），像超新星一样迅速释放完能量后就熄灭。

　　人们也想在地球上实现对核聚变过程的约束，但是地球上不可能产生太阳那么大的引力场来约束高温等离子体，必须另想办法，公认可行的约束方式有两种：磁约束和惯性约束。

　　2.等离子体（plasma）

　　物质常见的状态有三种：固态、液态和气态，比如冰是固态，水是液态，水蒸气是气态。除了这三种常见的物态，实际上物质还有第四种物态——等离子态。

　　气态物质如果再继续升高温度，到一定温度后（约10000℃），构成气态物质的原子的外层电子会脱离原子核的束缚而成为自由电子，而失去电子的原子就变成了带正电荷的离子，这个过程叫电离。电离达到一定程度，气体中就会存在大量正离子和自由电子，与普通的气体不同，此时的气体会明显受电磁场的影响，这种特殊的物态被称为第四态——等离子态。

　　之所以叫等离子态，是因为在这种物态中电子的负电荷总数和离子的正电荷总数在数值上是相等的，宏观上表现为电中性。等离子体就是电离气体，它还有另一个名称“电浆”，十分形象地反映了其物理本质——带电荷的类似血浆一样的流体。

　　物质第四态——等离子态

　　3.托卡马克（Tokamak）

　　前面提到了，要在地球上实现可控核聚变，约束高温等离子体的可行方式有磁约束和惯性约束。惯性约束一般是用不同方向的多束激光照射等离子体来实现，这里不作探讨；磁约束是利用磁场对等离子体有明显的作用力（因为运动的带电粒子在磁场中会受到洛伦兹力而发生运动方向的偏转），构造封闭的磁力线，使得等离子体不能自由运动，进而实现高约束效果。

　　磁约束主要分为两种形式——托卡马克装置（Tokamak）和仿星器装置（stellarator）。

　　托卡马克，又称环流器，其名字Tokamak来源于环形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnit）、线圈（kotushka），是俄语“磁线圈环形真空室”的缩写。20世纪50年代初，苏联科学家提出了磁约束的概念，并于1954年建成了第一个磁约束装置——托卡马克。

　　托卡马克

　　仿星器，最早是由普林斯顿大学的著名物理学家Lyman Spitzer（美国的斯皮策红外太空望远镜就是以他的名字命名的）于1951年发明并且在第二年建成。仿星器对内部等离子体的约束主要是通过外部线圈电流产生的磁场来实现。

　　仿星器

　　托卡马克和仿星器的原理虽然都是磁约束，但是却有很大的不同。

　　首先，外观上，托卡马克像个甜甜圈，而仿星器像一个用松掉的发箍。

　　其次，原理上，托卡马克约束高温等离子流体的磁容器由三部分组成：环形磁场+等离子体电流磁场形成环形螺旋场，极向磁场控制约束高温等离子流体的平衡位形。等离子体电流形成的极向磁场使得磁笼的构成十分简洁（见图1），但上亿度的高温、超过千万安培的大电流的控制十分困难（见图2）。

　　图1 托卡马克的磁笼

　　图2 托卡马克中的高温等离子体和强大环形电流

　　仿星器则干脆取消了内部的高温等离子环电流，把等离子体电流控制的难度转移为三维磁场设计和线圈加工安装的难度，直接通过外部复杂的线圈，在内部构造出闭合、扭曲的环状磁笼。它的磁笼如图3所示。

　　图3 仿星器（W7-X）的磁笼

　　最后，安全性上，托卡马克装置提供的是对称二维磁场，包括内部等离子体电流的极向磁场，存在一定的安全隐患，等离子体电流释放的强大磁场有可能击毁整个反应堆；仿星器用弯曲的三维磁场来约束内部的高温等离子体，磁场完全来自外部线圈，不会出现突然中断的等离子体电流，相对更加安全。

　　4.超导线圈

　　既然要约束内部上亿度的等离子流体，就需要构造强大的磁场，而通过超导材料制作的导体线圈，由于没有电阻，能产生极大的电流且不会衰减，大的电流自然也就能产生强的磁场。

　　以7月3日实现运行时间重大突破的世界上第一个全超导托卡马克EAST“东方超环”来说，EAST上的线圈分为纵场环形线圈和极向场线圈，这些线圈都是超导材料制成的。

　　EAST的纵场环形线圈

　　EAST的极向场线圈

　　EAST上的超导材料为铌钛合金（NbTi）（其超导转变温度为8~10K），并用超临界4.5K液氦迫流冷却。EAST装置真可谓是冰火两重天，外表冷酷，内心炽热，外部超导线圈用-269℃的液氦冷却，内部却有高达100,000,000℃的高温等离子体在运行。

　　EAST的超导线圈实物截面

　　5.东方超环EAST

　　EAST托卡马克装置是我国自行设计研制的世界上第一个“全超导非圆截面托卡马克”核聚变实验装置，它由四个单词的首字母拼写而成——实验“Experimental”、先进“Advanced”、超导“Superconducting”、托卡马克“Tokamak”，它的中文意思是“先进实验超导托卡马克”，同时具有“东方”的含意。中文名称为“东方超环”。

　　EAST托卡马克外观

　　EAST托卡马克内部

　　EAST托卡马克的主机部分高11米，直径8米，重400吨，由超高真空室、纵场线圈、极向场线圈、内外冷屏、外真空杜瓦、支撑系统等六大部件组成。

　　6.其他“小太阳”

　　和EAST原理相同的托卡马克装置，国际上最受瞩目的是欧盟、中国、韩国、俄罗斯、日本、印度和美国合作的国际热核聚变实验堆（ITER）。ITER计划是目前世界上仅次于国际空间站的又一个国际大科学工程计划。该计划将集成当今国际上受控磁约束核聚变的主要科学和技术成果，首次建造可实现大规模聚变反应的聚变实验堆，将研究解决大量技术难题，是人类受控核聚变研究走向实用的关键一步。ITER计划将历时35年，其中建造阶段10年、运行和开发利用阶段20年、去活化阶段5年。