談談環流器核聚變的原理和麵對的問題

談談環流器核聚變的原理和麵對的問題

這個不是我的專業，抄抄書而已。

我們知道要發生聚變，原子核需要克服庫侖排斥力走到一起的距離才能合並。這個需要原子核有足夠的動能。所以需要把核燃料的氣體加到很高的溫度。而這樣的一團高溫的氣體怎麽維持而不讓它向四方跑掉？裝罐子是不行的，因為沒有什麽材料能經得起這樣的溫度（太陽表麵是6K攝氏度，裏麵更熱）。太陽是靠它巨大質量的引力來維持不飛散的。

環流器（托克馬克）就解決了這個問題。一個環形腔，周圍裝超導磁鐵，腔內形成很強的磁場，普通物理教過，帶電粒子在磁場裏走是拐彎的。所以就把這個熱氣體圈在環形腔的中間了。當然也還有些速度快的粒子會跑出來到腔壁上。

好，把氣體圈住了就可以加熱了。這個加熱跟微波爐是差不多的原理，用交變電極
不需要跟氣體接觸。加到足夠的溫度就會發生聚變反應。這個溫度可以加到很高。其實你要是不怕著火的話微波爐是可以燒化金屬的。

下麵這個是個示意圖。聚變反應產生阿爾法粒子（氦核）和中子。氦核是帶電粒子，夾在等離子流裏作為副產品按一定速度排出，同時補充新的材料。中子是不帶電的，不受磁場影響跑出來，所以環流器外麵需要一個套子裝重水來吸收中子的能量，後麵的事情用來發電跟傳統核電站是一樣的。

現在歐共體的環流器已經能維持等離子運轉以秒計了，每開動一次產生聚變能量是以MEGEJOULE的量級了。但是環流器是很大的設施（30米直徑），這個輸出還且沒有達到能量平衡（也就是NIF剛宣布的）。要做到正能量，需要更高的溫度，也就是更強的磁場，這在現在是有困難的。新一代的ITER大概可以產生10倍的能量，但是距離真正的應用可能還有若幹數量級。中國前些天宣布的“人造太陽”也是用的ITER技術，現在在實驗注入電流，還沒有注入氣體產生等離子和聚變。

好，下麵談問題。

上麵說過，太陽表麵溫度是6000度，產生黑體輻射可以熔化周圍所有物體。環流器裏麵的那一條環形等離子體的溫度不可能超過兩千攝氏度，否則周圍設備燒化了。那麽這樣外表隻有兩千度的等離子體中心溫度是多少？是不是足夠有效地產生核聚變（比如至少消耗掉50％的核燃料）？這個問題走到那裏自然會明了，現在還早。

其次，中子雖然不帶電，對構成設備的材料還是有放射性損害的，長而久之環型器就漏了。這個問題目前正在被重視，新一代的裝置在采用不同以前的材料。

其實，托克馬克最大的問題（激光聚變也一樣）是等離子的不穩定性。你想得好好的，一條環形的氣體被圈在裏麵，事實上高溫加熱有很多非線性過程的不穩定性，加熱加熱加熱然後就像一個自行車輪子滾著滾著然後七歪八扭地倒下來，就沒法繼續了。研究者花了幾十年試圖解決的是這個問題，所謂環形器現在能運行的時間其實是受這個限製的，所以也可以說還沒完全解決。