谈谈环流器核聚变的原理和面对的问题

谈谈环流器核聚变的原理和面对的问题

这个不是我的专业，抄抄书而已。

我们知道要发生聚变，原子核需要克服库仑排斥力走到一起的距离才能合并。这个需要原子核有足够的动能。所以需要把核燃料的气体加到很高的温度。而这样的一团高温的气体怎么维持而不让它向四方跑掉？装罐子是不行的，因为没有什么材料能经得起这样的温度（太阳表面是6K摄氏度，里面更热）。太阳是靠它巨大质量的引力来维持不飞散的。

环流器（托克马克）就解决了这个问题。一个环形腔，周围装超导磁铁，腔内形成很强的磁场，普通物理教过，带电粒子在磁场里走是拐弯的。所以就把这个热气体圈在环形腔的中间了。当然也还有些速度快的粒子会跑出来到腔壁上。

好，把气体圈住了就可以加热了。这个加热跟微波炉是差不多的原理，用交变电极
不需要跟气体接触。加到足够的温度就会发生聚变反应。这个温度可以加到很高。其实你要是不怕着火的话微波炉是可以烧化金属的。

下面这个是个示意图。聚变反应产生阿尔法粒子（氦核）和中子。氦核是带电粒子，夹在等离子流里作为副产品按一定速度排出，同时补充新的材料。中子是不带电的，不受磁场影响跑出来，所以环流器外面需要一个套子装重水来吸收中子的能量，后面的事情用来发电跟传统核电站是一样的。

现在欧共体的环流器已经能维持等离子运转以秒计了，每开动一次产生聚变能量是以MEGEJOULE的量级了。但是环流器是很大的设施（30米直径），这个输出还且没有达到能量平衡（也就是NIF刚宣布的）。要做到正能量，需要更高的温度，也就是更强的磁场，这在现在是有困难的。新一代的ITER大概可以产生10倍的能量，但是距离真正的应用可能还有若干数量级。中国前些天宣布的“人造太阳”也是用的ITER技术，现在在实验注入电流，还没有注入气体产生等离子和聚变。

好，下面谈问题。

上面说过，太阳表面温度是6000度，产生黑体辐射可以熔化周围所有物体。环流器里面的那一条环形等离子体的温度不可能超过两千摄氏度，否则周围设备烧化了。那么这样外表只有两千度的等离子体中心温度是多少？是不是足够有效地产生核聚变（比如至少消耗掉50％的核燃料）？这个问题走到那里自然会明了，现在还早。

其次，中子虽然不带电，对构成设备的材料还是有放射性损害的，长而久之环型器就漏了。这个问题目前正在被重视，新一代的装置在采用不同以前的材料。

其实，托克马克最大的问题（激光聚变也一样）是等离子的不稳定性。你想得好好的，一条环形的气体被圈在里面，事实上高温加热有很多非线性过程的不稳定性，加热加热加热然后就像一个自行车轮子滚着滚着然后七歪八扭地倒下来，就没法继续了。研究者花了几十年试图解决的是这个问题，所谓环形器现在能运行的时间其实是受这个限制的，所以也可以说还没完全解决。