聚變的四大金剛——「四」足鼎立，已成歷史

2020-09-04 綠水煎茶

核聚變，即輕原子核（例如氘和氚）結合成較重原子核（例如氦）時放出巨大能量。因為化學是在分子、原子層次上研究物質性質，組成，結構與變化規律的科學，而核聚變是發生在原子核層面上的，所以核聚變不屬於化學變化。

我們現在的所有核電站都是裂變電站，聚變至今還未實現，那我們為什麼要大力發展聚變嗎？或是聚變與聚變相比有哪些優越性呢？

聚變原理

對於重核裂變來說1g的U235產生的能量相當於1.8噸的汽油，而1g的氘氚放出的能量相當於8t汽油，所以聚變比裂變的效率要更高；同時，裂變的原料來自於重金屬鈾，鈾礦的儲備有限，聚變的原料來自於海水，儲量巨大，屬於真正的可持續發展；最為重要的是裂變發電雖然是清潔能源，但是它具有放射性，這也導致了民眾對核的恐慌，而聚變它在清潔無汙染的基礎上，還有短的放射性，半衰期只有12年，只用一張薄薄的紙片就可以將其抵擋住。

託卡馬克

1968年8月在前蘇聯新西伯利亞（Novosibirsk)召開IAEA(國際原子能機構）聚變能大會，阿齊真維齊宣稱T-3和TM-3託卡馬克電子溫度達到一千萬度，離子溫度達到五百萬度。這一參數比普林斯頓的仿墨器的溫度和約束時間高了超過10倍，西方世界不相信這一結果，阿齊莫維齊邀請英國卡勒姆（Culham)實驗室的一個小組帶著當時最先進的湯進散射測量系統（N.Peacock)到真斯科的庫爾恰託夫研究所來檢驗這一結果，次年，結果比宣稱的一千萬度還要高出許多（接近一倍）；這是磁約束聚變研究歷史上的一次巨大的眺躍，從此開啟了託卡馬克磁約束聚變高歌猛進的新時代，託卡馬克如雨後喜立起來，越建越大。

而在當時有四個託卡馬克裝置在當時脫穎而出，被稱為「四大金剛」。

「真」四大金剛

01歐洲的驕傲——JET託卡馬克

歐洲的驕傲一一JET託卡馬克

1997年，歐洲聯合環(JET)裝置氘氚聚變反應實驗創造了聚變性能折的世界紀錄，瞬態聚變功率達到16兆瓦。同時還實現了聚變輸出功率超過輸入功率(功率增益因子Q=1.25)。這是人類首次實現聚變的能量輸出大於輸入，這也從實驗上證明了託卡馬克實現可控核聚發電是具有科學可行性的。

JET

02美國的嘗試——TFTR託卡馬克

美國的嘗試——TFTR託卡馬克。

TFTR建造的最初目的是實現聚變能的投入和產出平衡。儘管該裝置終未能實現這一目標，但TFTR在探索井理解氘氚等離子體行為特性方面獲得了重大的進展。其中最為突出的成就是在1993年12月9日10日，使用、氚各50%的混合燃料，使溫度達到5億攝氏度。氘氚等離子體的峰值聚變功率達到10.7兆瓦。

TFTR

03日本的成功——JT-60託卡馬克

日本的成功——JT-60託卡馬克。

在JT-60上成功進行了氘一氘反應實驗，換算到氘一氚反應，功率增益因子Q值可以達到1.00。後來，Q值又超過了1.25。JT-60在1989-1991年升級為JT-60U,之後圍繞約束性能的改善和穩態運行,開展了實驗。在JT-60U上，功率增益因子大於1.3,它也是從氘氘實驗得出的結果外推後算出的。

JT-60

04蘇聯的遺憾——T-15託卡馬克

蘇聯的遺憾——T-15託卡馬克。

T-15裝置來自於莫斯科的庫爾恰託夫研究所，大半徑可達到2.4米於1988年首次實現等離子體放電。蘇聯解體後，由於資金短缺問題1995年關閉。在其短暫的生涯中雖然只有100次放電，它仍然達到在注入功率1.5兆瓦、電流為1兆安時維持了1秒的高溫等離子體放電儘管曇花一現，但依然絢爛。

T-15

當時這四大託卡馬克「四足鼎立」、「四分天下」，標誌著當時最先進的核科學技術，但是這樣一個光輝的時代在2006年終止。

2006年，世界首座全超導託克馬克——EAST坐落在等離子體所，受控聚變進入到一個全新的黃金時代。（關於EAST這個項目，我在之前的文章也寫過）

EAST

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