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可控核聚变

可控核聚变

可控核聚变（英文名称：Controlled nuclear fusion）是指在一定条件下，控制核聚变的速度和规模，以达到把核聚变产生的能量在社会生产的人类生活加以利用的目的。核聚变是一种能释放出巨大能量的原子核反应形式，即轻原子核（例如和）结合成较重原子核（例如氦）时放出巨大能量。在此过程中，物质没有守恒，因为有一部分正在聚变的原子核的物质被转化为光子（能量）。这一过程遵循爱因斯坦质能方程。

惯性约束和磁约束这两种方式被认为是可控核聚变的主要方式。而现在主流的托卡马克装置是属于磁约束的方式。

可控核聚变能源相比较于现有的能源，有取之不尽，成本低、清洁等特点，被人类视为终极能源。而且和传统的核能相比，核聚变更加清洁和安全，核聚变的过程不会产生放射性废物，也不会发生失控链式反应。

实现方法

为了实现可控热核聚变并获得能量增益，必须满足劳森判据。核心问题是设法产生并约束一个热绝缘的稳定的高温等离子体，其密度要足够的高，被约束的时间要足够的长。等离子体的密度越大，粒子碰撞发生的核聚变反应概率就越大；高温和等离子体维持时间越长，聚变反应就越充分。

约束高温等离子体的方法有磁约束、惯性约束，引力约束，但引力约束在地球上是无法实现的。中的热核聚变反应是引力约束聚变，太阳的巨大质量所产生的引力，把太阳上的高温等离子体约束在一起，维持热核反应的进行。爆炸属于惯性约束聚变，在氢弹中所进行的聚变反应过程非常短暂，根本没有对燃料等离子体采取任何约束措施，只依靠燃料本身的惯性保持避免它们过早解体。研究受控热核聚变的实验装置多种多样，但是，根据其实现约束的原理，这些装置可以分为两类：磁约束和惯性约束。

磁性约束

由于高温等离子体是由高速运动的荷电粒子（离子、电子）组成，因此人们最早想到的是用高强磁场对其进行约束。磁场越强，或者粒子的电荷越大，受到的约束也越强。如果利用设计的磁场来约束高温等离子体，使带电粒子不能自由地向四面八方运动，而只能沿着一个螺旋形的轨道运动，这样磁场的作用就相当于一个容器了。这就是磁约束系统的指导思想。磁约束有各种不同的形式，其中一种叫托卡马克的系统是目前性能最好的磁约束装置。它的主体结构是一个内部抽真空的圆环。在圆环周围环绕着多个线圈，这样的线圈能提供沿圆环切线方向的磁场；圆环中心也有多个电感线圈，这些线圈提供垂直于圆环所在平面的磁场，以及沿圆环切线方向的感应电场。在这样的电磁场下，等离子体就可以被束缚在圆环中，并能为其进行欧姆加热（有电阻的物质在通过电流时会产生热量）。

惯性约束

惯性约束聚变是利用激光或激光产生的 X 射线作驱动源，均匀地加热装填核聚变燃料（氘、氚）的微型球状靶丸外壳表面，形成高温高压等离子体并向外喷射，产生反冲压力，快速地向内压缩靶丸未加热的部分，使核聚变主燃料层密度达到每立方厘米几百克质量，并在核聚变燃料芯部形成高温高密度热斑，点燃聚变反应。燃烧从中心向外迅速地在被压缩的主燃料层中传播，靶丸自身的惯性约束高温高密度燃烧需要足够长的时间，进行充分的燃烧后，放出大量聚变能，获得能量增益。

研究进展

中国

2023年8月，新一代人造太阳“中国环流三号”取得重大科研进展，首次实现100万安培等离子体电流下的高约束模式运行，再次刷新中国磁约束核聚变装置运行纪录，标志着中国磁约束核聚变研究向高性能聚变等离子体运行迈出重要一步，中国磁约束核聚变装置运行水平迈入国际前列，是中国核聚变能开发进程中的重要里程碑。

中核集团相关负责人表示：“在实现百万安培等离子体电流高约束模式运行的基础上，新一代人造太阳‘中国环流三号’团队，将进一步发展高功率加热和电流驱动、等离子体先进运行控制等核心技术，实现堆芯级等离子体运行，研究前沿聚变物理，为我国开展聚变燃烧实验、自主建造聚变堆奠定基础。”

英国

2022年初，英国原子能研究所发布消息称，在最近一次核聚变发电实验中，欧洲联合核聚变实验装置（JET）在5秒内产生了59兆焦耳的持续能量，打破了该装置在1997年创造的4秒内产生约22兆焦耳这一纪录，创造了可控核聚变能量新的世界纪录。

美国

过去70年，美国一直尝试用高能激光轰击核聚变材料，借助激光产生的高温高压实现核聚变。2022年12月5日，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）的国家点火装置（NIF）将2.05兆焦的激光聚焦到核聚变材料上，产生了3.15兆焦的能量，能量增益首次大于1，达到了“点火”标准。

尽管单从数据上看，这次实验产生的能量“只够烧开10壶水”，但它的意义非常重大。根据核聚变反应的劳森准则，当核聚变的能量产出率大于能量损耗率，并且有足够的能量被系统捕获和利用，就可以被称为“点火成功”。但在过去几十年中，这一直是科学家们未能实现的梦想。NIF从2010年开始正式的点火实验，用了10多年时间才梦想成真。

具体实例

托卡马克装置（TOKAMAK）

20世纪70年代后期到80年代中期，世界各国陆续建成了五个大型的托卡马克装置，分别是：1982-1997年：美国的TFTR（Tokamak Fusion Test Reactor，已拆解）。1980年：通用核能公司的DIII-D。1985年: JT-60，茨城县那珂市。1983年: 欧洲联合环状反应堆（Joint European 环面）1988-2005年：俄国莫斯科库尔恰托夫研究所T-15。

美国的TFTR建造在普林斯顿大学等离子体物理实验室，在1993年12月使等离子体的中心温度达到3至4亿，并且获得了聚变功率的输出，能量增益因子Q值达0.28。欧洲共同体的JET，在1982年建造在英国的卡拉姆实验室，在1991年获得聚变功率输出，并于1997年能量增益因子Q值达到0.65。日本的JT-60U是在1989—1991年由JT-60大型托卡马克装置改造成的，在1996年达到4亿摄氏度中心离子温度，实现等效能量得失相当，最大功率输出增益因子Q达到1.3。

国际热核聚变反应堆（ITER）

国际热核聚变实验反应堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）是国际核聚变研究的巨型工程，是目前正在建设的世界上最大的实验性托卡马克核聚变反应堆，位于法国南部的卡达拉舍。ITER始于1985年，里根-戈尔巴乔夫倡议苏联，欧盟（通过欧洲原子能共同体），美国和日本平等的参与在1988年-1998年的初步设计。后来俄罗斯取代了前苏联的位置，美国曾于1999年到2003年之间退出，加拿大于2003年退出，而中国和韩国则加入参与开发研究，印度在2005年12月也加入了该计划。2006年5月24日，参加这一项目的欧盟、美国、中国、日本、韩国、俄罗斯和印度7方代表草签了一系列相关合作协议，标志着这项计划开始启动。ITER的使命是展示聚变发电的可行性，并证明它可以不造成负面影响。

ITER计划的托卡马克装置将成为世界上最大的托卡马克装置，其体积是目前运行的最大托卡马克装置的两倍，其等离子体反应室容积也是其10倍。根据ITER计划此前发表的公报，通过对项目进展的评估，托卡马克装置有望在2025年首次开机产生第一炮等离子体，这也是ITER数十年运行计划的第一步。而氘氚聚变实验预计于2035年开始。

据报道，2023年1月5日，国际热核聚变实验反应堆计划（ITER）的总干事彼得罗·巴拉巴斯基解释说，不得不对组成“真空室”的几个部件和“隔热屏”进行修复，会导致项目延误，延误的时间没有确定。

超导托卡马克（EAST）

随着研究的深入，各国意识到需要建造新一代托卡马克装置来提升“聚变三重积”，中国的先进实验超导托卡马克实验装置（Experimental Advanced Superconducting Tokamak，EAST）正是在这个大背景下建造成功的。EAST原名HT－7U，又被称为全超导托卡马克核聚变实验装置，是中国科学院等离子体物理研究所在安徽省合肥市建设的世界第一个全超导磁体托卡马克核聚变反应试验性装置，属于中国国家“九五”重大科学工程。EAST是世界上首个非圆截面全超导托卡马克装置，与国际上大多数短脉冲的装置不同的是，EAST装置的研究方向主要是高参数长脉冲等离子体运行，探究高性能等离子体、先进稳态运行模式等高温等离子体稳定运行中的一些关键物理问题和工程技术问题。目前，EAST具备与ITER最为相近的工程技术条件，包括超导稳态磁场和高功率长时间加热能力，可以承受高热负荷冲击的钨铜偏滤器系统，以及灵活的等离子体控制能力，可以开展低动量、电子加热为主的长脉冲等离子体物理实验。EAST融入了几十年来的聚变研究成果，比如DIII-D的D型截面展示的良好约束效果，T15所提出的超导电感线圈优势等等。自2006年建成第一次放电以来，EAST取得了一系列里程碑式的成果：

EAST承担了ITER采购包中国计划的70%的任务，并且负责ITER PF6和ITER TAC1总装项目。EAST在稳态长脉冲等离子体运行方面处于国际领先地位，为ITER及未来聚变堆发展提供了强有力的工程技术和科学理论支持。

激光惯性约束聚变

激光惯性约束聚变就是美国国家点火装置采用的方案。科学家使用192束激光将2.05MJ能量注入内壁为金涂层的圆柱体黑腔，转化为强烈的X射线均匀照射到中心装填有氘氚聚变燃料的球形靶丸，在靶丸表面形成高温高压等离子体，利用反冲击力，驱动燃料向心聚爆，压缩和加热聚变燃料等离子体至高温度高密度状态，达到聚变点火条件，在10亿分之一秒的时间内，释放了3.15MJ的聚变能量。这首次实现了聚变能量大于输入能量超过54%的净能量收益，标志着人类在实现可控核聚变这一“终极能源”的道路上迈出了至关重要的一步，是实现清洁能源的里程碑。

早在20世纪50年代后期，惯性约束聚变的构想就被提出，即利用微型炸药或强X-ray辐射驱动激波来压缩加热很小质量的氘氚燃料（毫克以下），使其达到高温高密的状态，实现非裂变的聚变点火，随后利用聚变放能加热水，产生的蒸汽为传统发电机提供动力，从而实现应用层面的发电。

20世纪60年代早期，劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家纳科尔斯（Nuckolls）及其合作者用计算机数值模拟了1毫克氘氚燃料的内爆点火：通过输入5兆焦的能量可以实现50兆焦的聚变放能，达到10倍的增益。随后经过对能量注入以及靶丸的优化，高增益聚变点火的驱动能量能被降低到1兆焦，而实现聚变点火只需要1千焦的驱动能量。

20世纪70年代末期，随着激光技术的迅速发展，高功率激光作为驱动源让可控惯性约束聚变从理论走向了实际。总输出能量达到10千焦的Shiva激光器被首先建立起来，用于在较小驱动能量下进行聚变原理验证，但由于Shiva激光器采用的是红外激光（波长1053纳米），激光注入能量后，激光等离子体参量不稳定性显著，产生大量的超热电子预热了氘氚靶丸，降低了对称性与靶丸压缩，远远没有达到聚变点火的条件。1984年，采用3倍频、波长为351纳米的Nova激光器建造投入使用，激光能量达到40千焦—45千焦，聚变实验如火如荼地进行，但由于不同激光束之间能量存在巨大差异导致严重的成丝和驱动不对称性，最终还是走向失败。

由此，美国国家点火装置（NIF）应运而生。NIF是世界上最大的激光驱动惯性约束聚变装置，于1997年开始建造，2009年正式建成投入使用，耗资约35亿美元，有三个足球场的大小，可以将2兆焦的能量通过192路激光束聚焦到2毫米的空间范围内，从而将燃料压缩到太阳内核以及核爆炸的温度和压力，实现聚变点火。尽管从驱动能量层面来看，NIF已经完全达到聚变点火的要求，但是从2010年10月首次进行集成点火实验，到2022年12月真正实现可控聚变点火，也经历了12年，面临大量质疑与批评。

中国环流三号

“中国环流三号”是中国自主设计研制的可控核聚变大科学装置，它也被称为新一代“人造”。“中国环流三号”团队突破了等离子体大电流高约束模式运行控制等一系列关键技术难题，首次实现了100万安培等离子体电流下的高约束模式运行。磁约束核聚变中的高约束模式是一种先进的运行模式，比普通的运行模式更具经济性，因此被选为正在建造的国际热核聚变实验堆的标准运行模式。

应用

可控核聚变技术实现商业化后，最直接的就是对人们社会生活的影响。随着技术的发展，电的价格会越来越低廉。核聚变发电站会大量建起，足以满足人类社会生产生活的用电需求，工业也会因此加速发展。有了更加清洁的能源，化石燃料会被替代，环境将会大大改善。

可控核聚变作为一种新能源，在国防和军事领域同样具有无限的应用前景。提升武器装备动力性能。还最有可能成为人类星际航行的“第一推力”。刘慈欣在《三体》中畅想，人类在22世纪终于实现了可控核聚变，并将其应用在太空飞船上。人类因此达到了光速的15%，从而有机会离开太阳系统。

还有科学家提出了核聚变动力火箭的概念。以化学能为动力的火箭发动机，其推力、速度、航程都不能满足星际航行的需要。如果以目前的火箭速度计算，飞往已知距离最近的处于宜居带内的太阳系外行星，需要6万年时间。未来如果将可控核聚变技术应用于航天领域，把小型聚变反应堆应用到火箭发动机上，为其提供持久、高效、清洁的能源，那么，航天器速度和持续飞行能力可得到极大提升。探索外层空间奥秘、实现星际航行不再存在能源问题，人类开启星际探索之旅的梦想或将变为现实。

优点

原料来源丰富

可控核聚变的第一个优点是原料来源丰富。核聚变的原料是氘和氚，据测算，一升海水中含氘的量是30mg，通过核聚变反应，产生的能量相当于300多升汽油产生的能量，也就是说，经过提炼一升海水中的氘经过核聚变释放的能量，相当于燃烧300多升汽油释放的能量。据估计，天然存在于海水中的氘有45亿吨，如果全部通过核聚变转化为能源，按目前世界能源的消耗量，可以满足人类未来几十亿年的能源需求。