什麼是磁約束可控核聚變，是否可以進行商業化發電？

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By 混跡於核聚變領域的電氣小混混=。 =

1.核聚變

核能包括裂變能和聚變能兩種主要形式。

核聚變，又稱核融合、融合反應或聚變反應，是將兩個較輕的核結合而形成一個較重的核和一個很輕的核（或粒子）的一種核反應式。「維基百科，自由的百科全書核聚變」。

目前開展的受控核聚變研究正是致力於實現聚變能的和平利用。其實,人類已經實現了氘氚核聚變，即氫彈爆炸，但那是不可控制的瞬間能量釋放, 人類更需要受控核聚變。

維繫聚變的燃料是氫的同位素氘和氚, 氘在地球的海水中有極其豐富的蘊藏量。特別的,聚變產生的廢料為氦氣, 是清潔和安全的。因此, 聚變能是一種無限的、清潔的、安全的新能源。這就是世界各國不遺餘力競相研究、開發聚變能的根本原因[1]。

[核聚變示意圖]

2.受控核聚變

受控熱核聚變能的研究主要有兩種-慣性約束核聚變和磁約束核聚變。

磁約束核聚變利用強磁場將氘氚氣體約束在一個特殊的磁容器中並加熱至數億攝氏度高溫來實現聚變反應。其設備比較大，但反應持續性能好，不需要反覆點火，但其缺點在於開、關火性能不佳，靈活度不夠，而且維持強磁場所需的電能成本也不低。磁約束核聚變適合作為核電站、大型船舶的供電系統，如ITER-ITER - the way to new energy。

慣性約束核聚變利用超高強度的激光在極短的時間內輻照氘氚靶來實現聚變。其好處在於設備可以做小，而且開、關火控制性能也比較好，但其缺點是需要消耗大量能源產生激光用來點火，而且燃料靶丸製造成本也很難降下來。慣性約束核聚變適合在未來用于飛行器等領域[2]，如美國國家點火裝置（NIF）Nature Publishing Group : science journals, jobs, and information。

3.磁約束可控核聚變

磁約束核聚變研究從上世紀 50 年代在美、英、俄、中等國開始，陸續出現了各種形式的脈衝放電和磁約束位形，經過艱難探索之後主要集中在托卡馬克、仿星器位形上，而以托卡馬克發展最快。

托卡馬克（Tokamak）裝置是實現磁約束核聚變反應的一個非常有前途的方法，而超導托卡馬克使磁約束位形能連續穩態運行，是公認的探索和解決未來聚變反應堆工程及物理問題的最有效的途徑[1,3] 。

目前比較著名的托卡馬克裝置有 ITER、EAST、JET、JT-60SA和KSTAR。

[中國的磁約束核聚變裝置-EAST]

EAST（Experimental advanced superconducting Tokamak）是世界上第一個建成並真正運行的全超導非圓截面核聚變實驗裝置。該計劃於1998年得到國家的支持；2006年建造完成後於同年9月28日首次成功完成放電實驗；在2012年的實驗中創造了兩項托克馬克運行的世界紀錄：獲得超過400秒的兩千萬度高參數偏濾器等離子體；獲得穩定重複超過30秒的高約束等離子體放電[4]。

http://www.nature.com/nphys/journal/v9/n12/full/nphys2825.html

4.磁約束受控核聚變的商業化進程

儘管目前不論在磁約束核聚變還是慣性約束核聚變領域均取得了重要的進展，但是距離核聚變的商業化應用即商業反應堆的建造還有很長的路要走，這需要全世界核聚變領域的科學家共同努力！

以磁約束核聚變為例，說明磁約束核聚變的發展路線

[ 磁約束核聚變發展路線示意圖 ]

FPP(Fusion Power Plant)是所有核聚變人的夢想！路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索！

參考資料：

[1] 李建剛, 趙君煜, 彭子龍. 全超導托卡馬克核聚變實驗裝置[J]. 中國科學院院刊, 2008, 23(5): 474-477.

[2] Hagler M O, Kristiansen M. Introduction to controlled thermonuclear fusion[J]. 1977.

[3] 丁逸驍, 朱銀鋒. 超導托卡馬克工程研究概況[J]. 低溫與超導, 2011, 39(8): 36-41.

[4] Wu S. An overview of the EAST project[J]. Fusion Engineering and Design, 2007, 82(5): 463-471.

簡單的打個比方吧，核聚變需要高溫高壓（類比太陽）高溫8000攝氏度，高壓具體不太記得了，所以想要控制核聚變首先得有個容器把聚變反應堆裝起來，不過和裂變堆不一樣，沒這樣的容器裝，所以能做的就是用力來約束。約束力分為慣性力約束和磁約束，俄羅斯（前蘇聯）用的是托卡馬克裝置磁約束，美國用的是激光（其實就是慣性約束）。目前的研究水平是，托卡馬克已經可以實現可控核聚變了，但是從經濟上講能力入不敷出，無法實現商業運行；美國的勞倫斯實驗室也實現了激光約束核聚變，不過那個的武器價值大於商運，目前可以武器裝備。

曾在成都的核工業西南物理研究院（業內稱為585）實習過，他們做的是磁約束聚變，擁有環流器2號A（HL-2A）裝置，並正在建設升級版的環流器2號M（HL-2M）。以下我主要說一下實習期間了解的關於核聚變研究的情況。

早年開始可控核聚變研究時，大家都比較樂觀，以為像從原子彈到可控核裂變一樣，從氫彈爆炸到實現可控核聚變花不了多少時間。那時候掌握核技術的各國都投入了不少資金和人員，比賽誰能最先實現可控核聚變。

然而大家慢慢發現可控核聚變在工程上的困難非常多。目前585的各個室在做的工作有：

對於等離子不穩定性的理論研究：等離子體的湍流會使約束失效，同時會有大量高溫等離子體噴射到約束容器上，造成約束容器被破壞。因此需要避免一些不穩定性的產生，但不穩定性無法完全避免，所以也要盡量預測湍流發生的位置，並引導噴射出的等離子打到專門的靶板上，避免對真空室產生破壞。
等離子診斷方法：探測等離子體的溫度、密度等參數。可用微波反射及光譜等方法。
真空室設計
材料研究：提高材料的強度或抗高溫性能
等離子加熱方法研究：用微波及中性束注入進行加熱

（以上是實習期間的耳聞，不太完整，歡迎補充及指出錯誤）

可控核聚變面臨的問題太多，而且隨著能源形勢的改變，目前對能源的需求並沒有原先預想的緊迫（化石能源+裂變能至少夠用200年），所以各國對聚變的投入也都減少了。按一般說法，核聚變實用化還需要50年的時間。

Magnetic confinement fusion

參見：什麼是可控核聚變？實現它的難點是什麼？