人類(lèi)距離可控核聚變還有多遠(yuǎn)？“人造太陽(yáng)”：能源自由的愿景(3)

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2025-02-08 15:53:28 光明網(wǎng)

道路依舊充滿挑戰(zhàn)

“穩(wěn)態(tài)自持燃燒”是源源不斷獲取聚變能的關(guān)鍵

在眾多技術(shù)途徑中，托卡馬克是通過(guò)等離子體電流和外部磁體線圈產(chǎn)生的螺旋磁場(chǎng)約束聚變?nèi)剂想x子，被認(rèn)為有望率先實(shí)現(xiàn)聚變能源的應(yīng)用，也是目前全球研發(fā)投入最大、最接近核聚變點(diǎn)火條件、技術(shù)發(fā)展最成熟的途徑。

托卡馬克最初是由蘇聯(lián)庫(kù)爾恰托夫研究所的阿齊莫維齊等人在20世紀(jì)50年代發(fā)明的，是一種利用磁場(chǎng)約束帶電粒子來(lái)實(shí)現(xiàn)可控核聚變的環(huán)形容器。當(dāng)前，世界上建成并運(yùn)行了超過(guò)50個(gè)不同規(guī)模的托卡馬克裝置，不同托卡馬克裝置的幾何尺寸、等離子體約束性能等也各有不同。目前中國(guó)運(yùn)行的托卡馬克主要包括常規(guī)托卡馬克和球形托卡馬克。

自托卡馬克開(kāi)展實(shí)驗(yàn)以來(lái)，等離子體綜合參數(shù)不斷提升，“三乘積”提升了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，逐漸趨近點(diǎn)火條件。歐洲的JET與美國(guó)的TFTR裝置上獲得氘氚聚變功率輸出，揭示了托卡馬克磁約束可控核聚變路線的原理可行性。2021—2023年，JET創(chuàng)造了69兆焦耳聚變能輸出的世界紀(jì)錄。

托卡馬克磁約束核聚變研究雖然不斷取得突破，但前方的道路依舊充滿挑戰(zhàn)。堆芯等離子體“穩(wěn)態(tài)自持燃燒”是源源不斷獲取聚變能的關(guān)鍵，實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)主要有五大類(lèi)問(wèn)題需要解決。

一是等離子體非感應(yīng)電流驅(qū)動(dòng)問(wèn)題。等離子體電流由歐姆驅(qū)動(dòng)電流和非感應(yīng)驅(qū)動(dòng)的電流組成。歐姆驅(qū)動(dòng)電流是基于變壓器原理，通過(guò)等離子體外部線圈電流變化感應(yīng)而來(lái)的。對(duì)于非感應(yīng)電流驅(qū)動(dòng)，一部分可以通過(guò)外部的高功率微波和中性粒子束注入來(lái)驅(qū)動(dòng)，另一部分則來(lái)自等離子體自身壓強(qiáng)梯度產(chǎn)生的“自舉電流”，實(shí)驗(yàn)上希望等離子體自己提供的這部分電流份額越高越好。

二是加料與排灰問(wèn)題。聚變等離子體被約束在真空室內(nèi)，形成一種類(lèi)似“甜甜圈”的形狀。在“甜甜圈”環(huán)向軸中心位置附近的等離子體密度和溫度最高，越往邊界參數(shù)越低。傳統(tǒng)加料方式注入的中性氣體氘和氚，難以深入等離子體芯部，其燃燒效率難以提高。同時(shí)堆芯等離子體聚變反應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生大量的氦，也被稱為氦灰。氦灰容易堆積在芯部，導(dǎo)致等離子體性能退化，甚至引發(fā)等離子體熄滅。

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