文 | 栗頿
编辑 | 栗頿
在20世纪，核裂变反应被引入作为一种能源来源，通过分裂重型原子核来获取能量。与化石燃料发电相比，核裂变产生的温室气体排放量非常低，因此污染较少。
但由于核废料，核裂变带来了严重的放射性威胁。并且切尔诺贝利事故和福岛灾难等放射性熔毁的极端风险也引发了对更安全实践的需求。根据国际能源署的报告，全球约10%的电力产量来自核能源，约65%的电力产量来自化石燃料，可再生能源占约25%。
目前，科学界正在致力于能源生产的下一步：核聚变。由于高比能量和可从海水中提取的燃料的丰富性，核聚变可能成为未来可靠的能源来源。
氚是通过逃逸出等离子体与托卡马克壁层中的锂发生相互作用时“繁殖”的。氚原子是短寿命的放射性废物，具有有限的扩散风险。由于核聚变没有有害的温室气体排放和核裂变电力厂的核熔毁风险，它是未来能源生产非常有前景的候选方案。
核聚变是一种两个或多个核结合形成一个或多个核的过程。由于结合能的差异，产物的质量低于反应物的质量。根据爱因斯坦的质能关系（E = ∆mc2），这种质量差被转化为能量。
在恒星的核心，核聚变反应在极端的温度和压力条件下发生。例如，在像太阳这样的小型恒星中，质子-质子循环是主要的反应途径，其中两个质子融合形成一个氦核，每个聚变循环释放出26.7 MeV的能量，还有两个电子和一个电子中微子。太阳的条件是1500万开尔文和2650亿巴的压力。
为了使聚变过程发生，反应物原子的核必须克服库仑斥力，并且必须靠近彼此。所以反应物原子必须具有高速度，因此高温和高压是必要条件。在非常高温下，原子的电子被剥离，带正电的离子和自由电子形成第四态物质，即“等离子体”。
尽管在地球附近等离子体并不常见，但宇宙中99%的物质都由等离子体组成。较重原子的聚变需要非常高的能量来克服库仑斥力，因为它们具有更多的质子。
在恒星中，可以观察到较重原子的聚变。并且较重原子的每个核子结合能较高，因此每个聚变循环的能量产出非常低。而轻原子的能量产生更高效，因为它们的每个核子的结合能较低。
上面列出了较轻原子的核聚变反应，而它们的截面与能量的依赖关系显示在图1中。从图中可以明显看出，最有前途的方法是氘和氚的聚变（D-T反应），因为即使在较低温度下，其截面也较高，相比其他反应而言。两个氘原子的聚变（D-D反应）需要非常高的温度。
注：此段中的"截面"是指在物理学中常用来描述粒子碰撞时相互作用发生的概率的一个参数。
图1：不同核聚变反应的反应速率（UWM）
商业化实现核聚变能源生产受到材料、技术和工程方面的限制。在D-T反应中，大约80%的能量由中子携带。
其中一个主要挑战是找到一种合适的材料来承受这些高能中子的冲击，并成功将其动能转化为热能和电能。另一个重要挑战是全球三氚供应的限制。三氚繁育技术是一个重大挑战。此外，三氚作为一种放射性组分增加了核聚变反应堆的安全限制。
对于核聚变能量，可以从劳森准则中考虑功率平衡，如下所示：
方程1
其中，Pfusion是热核能量，Ploss是热核等离子体的总能量损失。能量损失可以通过辐射和传导来发生。
对于D-T聚变反应，单位体积的热核功率可以定义为：
方程2
其中，nD和nT分别是氘和三氚的密度，<σv>是聚变反应的速率，ξ是每个聚变反应释放的能量。总离子密度n = nD + nT。对于给定的n值，当氘和三氚的密度相等时，即nD = nT = n/2，方程2变为：
方程3
在D-T聚变反应中，约80%的能量由高能中子携带。剩余的能量（ξα=3.5MeV）由α粒子携带。这些α粒子可能会由于与等离子体的碰撞而失去能量，而中子则无相互作用地逃逸。因此，由于α粒子加热而导致的单位体积的热核功率可以从方程3中定义为：
方程4
总的α粒子加热功率，对等离子体体积V进行积分，可以定义为：
方程5
在这里，上划线表示数量n^2 <σv>的平均值。
在热核等离子体中，由剥离的离子和电子组成的等离子体能量总和W定义为：
方程6
其中，n是等离子体的密度，T是等离子体的温度。等离子体能量的损失速率Ploss可以定义为：
方程7
其中τe是能量限束时间，可以定义为等离子体失去所有能量所需的时间。
对于D-T聚变等离子体，在达到适当的限束条件时，等离子体由α粒子加热维持。因此，根据方程式1，功率平衡可以表示为：
方程8
假设密度和温度保持恒定。对于自持续等离子体，条件为
方程9
在温度范围10-20keV内，反应速率<σv>在10%的不确定性范围内可以表示为（Wesson 2004）：
方程10
因此，将ξα=3500keV（3.5MeV）和方程10中的反应速率代入方程9，得到：
方程11
假设密度和温度分布为平坦。假设为抛物线分布时，条件变为（Wesson 2004）：
方程12
方程12被称为劳森准则。密度n、温度T和封闭时间τe的乘积被称为聚变三重乘积。通过选择不同的参数来最大化三重乘积，可以采用不同的方法实现核聚变。
通过长时间封闭聚变等离子体，可以满足劳森准则。另一方面，通过增加密度，即使在较短的持续时间聚变等离子体中也可以满足准则。
为了实现成功的核聚变反应堆，必须满足劳森准则。根据选择以实现最大三重乘积的参数，有许多核聚变方法：
1.惯性约束聚变（ICF）2.惯性静电聚变（IEF）3.磁靶聚变（MTF）4.磁约束聚变（MCF）。
其中不考虑惯性静电聚变（IEF），因为它们是小型实验，远未达到盈能状态。ICF、MTF和MCF之间的主要区别在于它们如何平衡聚变三重乘积（Te、ne和τe），以满足劳森准则。
在ICF中，高密度等离子体被短暂地封闭（纳秒级别），而在MCF中，相对较低密度的等离子体被长时间封闭（秒级别）。在MTF中，电子密度的大小介于ICF和MCF之间，封闭时间为几微秒。在所有情况下，需要达到1亿开尔文以克服库仑斥力。
在惯性约束聚变（ICF）方法中，利用燃料质量的惯性来封闭等离子体。一个包含聚变燃料的胶囊（称为空腔）通过高能束束缩成极高的密度和温度，通常使用激光束作为高能束，也可以使用电子和离子束。
尽管ICF取得了重要的进展，但在实现热核点火方面仍面临各种主要挑战。有时激光脉冲与磁钳合并，这被称为磁约束惯性聚变或磁化线性惯性聚变。
pinch（也称为ζ螺旋）是一种ICF设备，通过在等离子体中传递强电流来产生磁场。通过洛伦兹力，磁场将等离子体压缩（"螺旋"）到适合进行聚变的条件。在Z-pinch中，大多数粒子的运动沿磁场线。
因此在机器的末端，一部分粒子会逃逸，导致等离子体质量和能量的损失。此外，Z-pinch存在稳定性问题，主要是环形螺旋机ZETA是最古老的聚变装置之一。在1957年8月，ZETA每个脉冲产生约一百万个中子，测量结果表明燃料温度达到100-500万开尔文。
在惯性静电聚变（IEF）方法中，使用电场来封闭等离子体。在等离子体内创建深静电势阱，加速离子到足够的能量以进行聚变反应并将其封闭。
软管是IEF设备的一个例子，它利用电场将离子加热到核聚变条件。通过在真空环境中的两个金属笼之间施加电压来构建软管。软管是最简单的核聚变装置，许多业余爱好者成功地利用软管进行了原子聚变实验。
在磁靶聚变中，利用核燃料的惯性来压缩等离子体胶囊，并使用磁场来封闭它。MTF包括将磁化的氘-氚（D-T）等离子体进行流体动力学压缩，以达到点火条件。在磁约束聚变（MCF）中，等离子体通过外部线圈产生的磁场来封闭。MCF目前是核聚变能源最有前景的候选方案。根据封闭等离子体的磁场配置，有不同的MCF设备。
反向场捆束是一种MCF装置，其中等离子体通过托卡马克磁场和由托卡马克等离子体电流产生的极向磁场的组合来封闭。在RFP中，极向磁场和托卡马克磁场的大小相同且托卡马克磁场在等离子体的外部相对于轴线上的值发生反转，如图2所示。
图2：RFP装置的磁场分量Bθ和Bφ的径向分布
场反转构型（FRC）是一个纵向延展的椭圆形紧凑托卡马克，没有托卡马克磁场。FRC也被称为场反转θ-捆束，因为它们是在θ-捆束研究中意外发现的。
而球形磁穴中没有材料（如真空容器和外部磁场线圈）连接托卡马克环。第一层壁具有球形拓扑结构，球形磁穴具有相等的托卡马克磁场和极向磁场强度。球形磁穴的主要优点是工程上的简单性，因为第一层壁近似球形，线圈是圆形的。然而小型和低能量的球形磁穴似乎具有有限的性能。
球形托卡马克是托卡马克设计的一种变体，具有球形托卡马克环。传统托卡马克中心的空洞尽可能减小，从而形成几乎"带核心的苹果状"球形形状。二者之间的差异如图3所示。
图3：球形托卡马克与传统托卡马克的示意图（CCFE）
由于其相对较低的磁场，球形托卡马克的建造成本比传统托卡马克低。由于低纵横比，球形托卡马克具有更好的等离子体稳定性，因为低纵横比可以抑制磁流体动力学不稳定性。不仅如此，球形托卡马克可以更高效地封闭等离子体。
尽管球形托卡马克具有更高的等离子体压力，但整体上球形托卡马克中的等离子体压力低于传统托卡马克。球形托卡马克的缺点是它们需要更多的非感应式电流驱动，因此需要更多的额外功率，因为中央螺线管电流驱动不存在。
图4：MAST中的球形等离子体（CCFE）
托卡马克异形磁瓶是由莱曼·斯皮策开发的。它采用外部磁铁创建了一条扭曲的等离子体路径，如图5所示。在托卡马克中，由于拉莫半径的变化，管道内侧边缘的粒子会向上漂移（或向下，取决于电荷）。
在外侧边缘，粒子会向下移动（或向上，取决于电荷）。因此通过斯特拉托磁瓶设计，漂移效应可以得到足够的补偿，以实现更长时间的等离子体约束。温德尔斯坦7-X是目前位于德国北部的世界上最大的斯特拉托磁瓶。
图5：斯特拉托磁瓶中的等离子体约束示意图
斯特拉托磁瓶的优点包括稳态运行、较少不稳定性的稳定运行、无等离子体电流和无等离子体破裂。并且斯特拉托磁瓶允许更高的电子等离子体密度，其较大的纵横比减少了对内壁材料的压力。
但它的设计非常复杂，建造成本高昂且非常复杂。斯特拉托磁瓶存在杂质积聚和粒子输运损失的问题。因此，斯特拉托磁瓶远未达到点火条件和能量产出，而且斯特拉托磁瓶的核能电站将非常庞大且昂贵。
不过与托卡马克相比，斯特拉托磁瓶的运行经验要少得多。基于这些原因，托卡马克被认为是核聚变能源生产的理想候选者。
实现核聚变反应堆的关键在于克服包括高温、高压、高能粒子束的控制和聚变产物的收集等方面的困难。并针对其进行了大量的研究和实验，不断探索新的聚变反应方式和技术手段。
