可控核聚變的實(shí)現(xiàn)方式有哪些？

核聚變的約束方式主要有引力約束、慣性約束和磁約束三種方式。

達(dá)到聚變條件后，還要對(duì)高溫聚變物 質(zhì)進(jìn)行約束，以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)脈沖穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，即延長(zhǎng)可控聚變反應(yīng)時(shí)間，從而獲得持續(xù)的核聚變能。在核聚變 反應(yīng)過(guò)程中燃料通常被加溫到 1 億攝氏度以上，鑒于如此高的溫度，唯有通過(guò)特定的場(chǎng)約束技術(shù)，才有 可能實(shí)現(xiàn)對(duì)熱核聚變?nèi)剂系挠行Ъs束，實(shí)現(xiàn)可控聚變約束有三種途徑，即引力（重力）約束、慣性約束 和磁約束。

1、引力約束：恒星內(nèi)部核聚變反應(yīng)的主要約束方式，目前在地球上無(wú)法 實(shí)現(xiàn)。恒星自身質(zhì)量巨大，巨大的質(zhì)量產(chǎn)生強(qiáng)大的引力，將氫原子核等物質(zhì)緊緊地束縛在一起，這種強(qiáng)大的引 力克服了原子核之間由于帶有相同電荷而產(chǎn)生的靜電斥力，使得原子核能夠靠近到足夠近的距離，從而 在高溫高壓的環(huán)境下發(fā)生核聚變反應(yīng)。這種約束方式依賴天體的超大質(zhì)量，是一種天然存在的熱核聚變 反應(yīng)堆，然而由于人類無(wú)法在滿足足夠小體積的條件下制造出如此大質(zhì)量的物體，因此以人類現(xiàn)階段的 技術(shù)手段尚無(wú)法在地面上制造出可以實(shí)現(xiàn)引力約束核聚變的反應(yīng)裝置。

2、慣性約束：一種利用粒子的慣性來(lái)實(shí)現(xiàn)核聚變的方法，需要大量的能 量輸入和精密的控制技術(shù)慣性約束通常采用高能量的激光或粒子束將燃料加熱和壓縮為等離子體，在自身慣性作用。下，等離子體 在極短的時(shí)間內(nèi)來(lái)不及向四周飛散，在此過(guò)程中被壓縮至高溫、高密度的物理狀態(tài)，從而發(fā)生核聚變反 應(yīng)。這種約束方式約束的時(shí)間尺度較短，形成的等離子體具有較高的溫度和密度等特征參數(shù)，需要大量 的能量輸入和精密的控制技術(shù)。

3、磁約束：聚變能量約束時(shí)間長(zhǎng)、技術(shù)成熟度高、工程可行性較強(qiáng)，是 目前實(shí)現(xiàn)聚變能開(kāi)發(fā)的最有效途徑。由于帶電粒子在磁場(chǎng)中趨向于沿著磁力線運(yùn)動(dòng)，而橫跨磁力線的運(yùn)動(dòng)將會(huì)受到限制，這時(shí)的磁場(chǎng)可以起 到約束帶電粒子的作用。磁約束核聚變通過(guò)加熱等外部手段將燃料溫度提升，極高的溫度使得燃料完全 電離形成等離子體，然后采用特殊結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)形式把燃料離子和大量自由電子組成的處于熱核反應(yīng)狀態(tài) 的高溫等離子體約束在有限的體積內(nèi)，使之受到控制地發(fā)生核聚變反應(yīng)，并在此過(guò)程中釋放出能量。增 強(qiáng)磁場(chǎng)可以大幅度地減小帶電粒子橫越磁力線的擴(kuò)散和導(dǎo)熱特性，使處于磁場(chǎng)中的高溫等離子體與反應(yīng) 容器的壁面隔開(kāi)，從而保護(hù)壁面不受高溫侵襲。由于磁約束的能量約束時(shí)間長(zhǎng)、技術(shù)成熟度高、工程可 行性較強(qiáng)的特點(diǎn)，在可控性、經(jīng)濟(jì)性和商業(yè)化前景上相比其他約束方式更具有明確的優(yōu)勢(shì)，因此被認(rèn)為 是目前最有希望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模受控核聚變反應(yīng)的一種約束方式。目前磁約束方案已經(jīng)被廣泛使用，占據(jù)了 62%的核聚變裝置市場(chǎng)份額。 基于磁約束原理的托卡馬克裝置逐步在核聚變研究領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。基于磁約束的基本原理，發(fā)展出 了托卡馬克、磁鏡、仿星器、球形托卡馬克、直線箍縮、環(huán)箍縮等多種類型磁約束核聚變裝置，其中托 卡馬克裝置因其具有高效的等離子體約束和穩(wěn)定的平衡能力，并且工程上設(shè)計(jì)建造相對(duì)簡(jiǎn)單、運(yùn)行維護(hù) 方便，經(jīng)過(guò)多年研究發(fā)展技術(shù)成熟且有多次成功的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，再加上廣泛的國(guó)際合作和強(qiáng)大的研究基礎(chǔ)， 逐步成為目前主流的核聚變裝置。托卡馬克（Tokamak）由蘇聯(lián)科學(xué)家在 20 世紀(jì) 50 年代提出，名字 由俄語(yǔ)的“環(huán)形（Toroidal）”、“真空室（Kamera）”、“磁（Magnit）”、“線圈（Kotushka）”幾個(gè)詞組 成，因其工作中會(huì)產(chǎn)生環(huán)形等離子體電流，所以也被稱為環(huán)流器。托卡馬克的形狀酷似一個(gè)“甜甜圈”， 擁有一個(gè)環(huán)形真空室，環(huán)形中心是一個(gè)鐵芯變壓器，通過(guò)變壓器初級(jí)線圈電流的變化產(chǎn)生磁場(chǎng)，從而在 環(huán)形真空室內(nèi)形成等離子體電流并加熱等離子體。真空室外有不同方向的線圈，分別產(chǎn)生環(huán)向和縱向的 磁場(chǎng)，真空室內(nèi)形成的環(huán)形等離子體電流則會(huì)提供極向磁場(chǎng)，最終形成環(huán)形螺旋狀磁場(chǎng)，將等離子體約 束在真空室中心。

托卡馬克裝置已被實(shí)驗(yàn)證明具備科學(xué)可行性，目前最有可能首先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。在 20 世紀(jì) 90 年代，歐 盟的 JET、美國(guó)的 TFTR 和日本的 JT-60 這三個(gè)大型托卡馬克裝置在磁約束核聚變研究中獲得許多重要 成果，等離子體溫度達(dá) 4.4×108?，這一溫度大大超過(guò)氘氚反應(yīng)的點(diǎn)火的要求；在氘氚粒子密度為 1:1 的 實(shí)驗(yàn)中，脈沖聚變輸出功率超過(guò) 16.2MW；聚變輸出功率與外部輸入功率之比 Q 等效值超過(guò) 1.25。這些 實(shí)驗(yàn)的成功，初步證實(shí)了基于氘氚的磁約束聚變途徑作為核聚變反應(yīng)堆的科學(xué)可行性，同時(shí)表明托卡馬 克是最有可能首先實(shí)現(xiàn)聚變能商業(yè)化的途徑。

托卡馬克裝置的主要部件包括真空室（Vacuum Vessle）、磁體（Magnets）、包層模塊 （Blankets）、偏濾器（Divertor）、真空杜瓦（Cryostat）5 個(gè)部分，另外還有真空系統(tǒng)、低溫系 統(tǒng)、氚增值、電源診斷系統(tǒng)等支持系統(tǒng)。其主要部件的作用為： 真空室：是一個(gè)重要的環(huán)形容器，其內(nèi)部創(chuàng)造出一個(gè)高真空環(huán)境，以維持等離子體的存在。等離子體在 這樣的環(huán)境下不會(huì)與任何物質(zhì)接觸，從而減少熱損失并保持其超高溫狀態(tài)。真空室同時(shí)也承擔(dān)著支撐整 個(gè)設(shè)施結(jié)構(gòu)的作用； 磁體系統(tǒng)：由多個(gè)線圈組成，其中包括托卡馬克的標(biāo)志性環(huán)向場(chǎng)線圈和中央螺線管，這些線圈產(chǎn)生強(qiáng)大 的磁場(chǎng)，用來(lái)穩(wěn)定和控制沸騰狀態(tài)的等離子體，防止其接觸到任何實(shí)體表面，此外外側(cè)的極向場(chǎng)線圈用 以進(jìn)一步控制等離子體，確保其均勻分布并維持在中心； 包層模塊：位于真空室內(nèi)側(cè)，主要作用是隔熱和輻射屏蔽，保護(hù)結(jié)構(gòu)免受熾熱等離子體產(chǎn)生的高熱和中 子輻射的傷害，未來(lái)的增殖包層還將有助于氚的生成； 偏濾器：處于托卡馬克裝置的底部，功能類似于“煙灰缸”，負(fù)責(zé)從等離子體中清除雜質(zhì)和廢物，從而保 持整個(gè)環(huán)境的純凈和等離子體的穩(wěn)定； 真空杜瓦：圍繞著整個(gè)托卡馬克裝置的外殼，為內(nèi)部組件提供額外的保溫效果，確保設(shè)施內(nèi)部在適宜的 溫度下運(yùn)行，同時(shí)也支撐整體結(jié)構(gòu)。

4、聚變-裂變混合堆：結(jié)合了聚變能和裂變能的優(yōu)勢(shì)，同樣具備商業(yè)化潛 力。核聚變-裂變混合堆是一種利用核聚變和裂變過(guò)程相結(jié)合來(lái)生產(chǎn)核燃料及發(fā)電的方法，是一種次臨界能 源堆芯，其核心思想在于使用氘-氚聚變反應(yīng)堆產(chǎn)生的高能中子，來(lái)激發(fā)聚變反應(yīng)式外的鈾-238 或釷232（這兩個(gè)元素被認(rèn)為是核廢料）這類非易裂變材料的裂變，生成的钚-239 或鈾-233 在熱中子作用下 進(jìn)一步裂變，從而釋放巨大能量并輸出大量中子。裂變能量以熱的形式被導(dǎo)出用于發(fā)電，輸出的中子輸 運(yùn)到產(chǎn)氚包層內(nèi)與鋰-6 反應(yīng)產(chǎn)生氚，補(bǔ)充聚變消耗，實(shí)現(xiàn)聚變?nèi)剂献猿帧Ｒ驗(yàn)樗玫牧炎儾牧媳旧頍嶂?子區(qū)不可維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，故這種裂變?cè)跓岫巡粫?huì)自發(fā)臨界，因此聚變-裂變混合堆在安全性、經(jīng)濟(jì)性、 能源優(yōu)化利用以及環(huán)境影響方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是目前最具商業(yè)化機(jī)會(huì)的堆型之一，也被視為 純聚變堆真正應(yīng)用前的“過(guò)渡”堆型。目前國(guó)際上主要的混合堆項(xiàng)目有中國(guó)“星火一號(hào)”、中國(guó) Z 箍縮驅(qū)動(dòng) 聚變裂變混合能源堆（Z-FFR）、韓國(guó)聚變嬗變反應(yīng)堆（FTR）等。