高温超导下游的超级应用：可控核聚变的巨大意义及最新进度

作者：股牛牛股票

08月02日 09:13

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摘要：周一早间提示了超导概念的意义及理解应用，周二超导概念9股5涨停，今天让我们延续天文地理尖端科技系列，再来学习一个更有意义的尖端科技

我国的超导产业发展更偏向高温超导

整体而言，我国在超导材料领域的研究进展基本与国际同步。其中，低温超导材料、超导电子学应用以及超导电工学应用领域的研究已达到或接近国际先进水平。我国 NbTi 线材性能和性价比已优于发达国家，Nb3Sn 线材综合水平与发达国家相当。

磁约束可控核聚变

磁约束核聚变使用磁场将氘氚等离子体约束在磁场中，并加热到上亿摄氏度，使之发生聚变反应，最常用的约束磁场是托克马克环，由极向磁场和环向磁场组成，用于约束和加热等离子体。国内主要是等离子体所（合肥）和中核的西南物理研究院（585，成都）在做大型托卡马克装置。等离子体所（合肥）一代先进装置 HT-7，前身是苏联在七十年代投入使用的超导托卡马克 T-7，在升级改造数年后于 1995 年投入使用。二代先进装置 EAST，在 HT-7 的基础之上设计建造而成。西南物理研究院（成都）早期装置 HL-1M 一代先进装置 HL-2A，前身是德国的装置 ASDEX，2002 年投入使用，二代先进装置 HL-2M。

可控核聚变的历史来由及意义

1939年，美国物理学家贝特通过实验证实，把一个氘原子核用加速器加速后和一个氚原子核以极高的速度碰撞，两个原子核发生了融合，形成一个新的原子核——氦外加一个自由中子，在这个过程中释放出了17.6兆电子伏的能量。这就是太阳持续45亿年发光发热的原理。
早在1933年，核聚变的原理就被提出，而5年后，改变世界格局的核裂变才被发现。核聚变反应堆的原理很简单，很好理解，只不过实现起来对于当时的人类技术水准，几乎是不可能的。第一步，作为反应体的混合气必须被加热到等离子态——也就是温度足够高到使得电子能脱离原子核的束缚，原子核能自由运动，这时才可能使得原子核发生直接接触，这个时候，需要大约10万摄氏度的温度。第二步，为了克服库仑力，也就是同样带正电荷的原子核之间的斥力，原子核需要以极快的速度运行，得到这个速度，最简单的方法就是——继续加温，使得布朗运动达到一个疯狂的水平，要使原子核达到这种运行状态，需要上亿摄氏度的温度。然后就简单了，氚的原子核和氘的原子核以极大的速度，赤裸裸地发生碰撞，产生了新的氦核和新的中子，释放出巨大的能量。经过一段时间，反应体已经不需要外来能源的加热，核聚变的温度足够使得原子核继续发生聚变。这个过程只要氦原子核和中子被及时排除，新的氚和氘的混合气被输入到反应体，核聚变就能持续下去，产生的能量一小部分留在反应体内，维持链式反应，大部分可以输出，作为能源来使用。看起来很简单是吧，只有一个问题，你把这个高达上亿摄氏度的反应体放在哪里呢？迄今为止，人类还没有造出任何能经受1万摄氏度的化学结构，更不要说上亿摄氏度了。这就是为什么一槌子买卖的氢弹已经制造了50年后，人类还没能有效的从核聚变中获取能量的唯一原因。好了，人类是很聪明的，不能用化学结构的方法解决问题，就用物理的试验一下。早在50年前，两种约束高温反应体的理论就产生了，一种是惯性约束。这一方法把几毫克的氘和氚的混合气体装入直径约几毫米的小球内，然后从外面均匀射入激光束或粒子束，球面内层因而向内挤压。球内气体受到挤压，压力升高，温度也急剧升高，当温度达到需要的点火温度时，球内气体发生爆炸，产生大量热能。这样的爆炸每秒钟发生三四次，并持续不断地进行下去，释放出的能量就可以达到百万千瓦级的水平。这一理论的奠基人之一就是我国著名科学家王淦昌。

地球上的能量，无论是以矿石燃料，风力，水力还是动植物的形式储存起来的，最终的来源都是太阳：矿石燃料是由千百万年前的动植物演变而来的，而动植物（无论是今天的还是以前的）的能量最终是要来源于食物链底端的植物的光合作用所储存的太阳能；风的起因是由于太阳对大气的加热造成的冷热不均；水力的势能一样要靠太阳的加热使处于低平位置的水体蒸发，上升，再以降水形式被“搬运”到较高位置，从而形成势能。因此，无论人类利用这其中哪一种能源，归根结底都是在利用太阳能，而太阳的能量则是来源于核聚变，因此，人类如果掌握了有序地释放核聚变的能量的办法，就等于掌握了太阳的能量来源，就等于掌握了无穷无尽的矿石燃料，风力和水力能源，一些人鼓吹的现代工业将因为没有能量来源而走向灭亡的观点也就破产了。因此，可控核聚变反应堆当之无愧地被称作“人造太阳”。我国在可控核聚变技术方面处于世界领先地位，即将开始运行的EAST反应堆是世界上第一个达到实用工程标准的反应堆，如果能够成功运行，那么，可控核聚变的商业发电的时日就不远了。

人类试图掌控可控核聚变过程中的尝试

TOKAMAK

托卡马克(Tokamak)是一环形装置，通过约束电磁波驱动，创造氘、氚实现聚变的环境和超高温，并实现人类对聚变反应的控制。它的名字Tokamak来源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnet)、线圈(kotushka)。最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。
受控热核聚变在常规托卡马克装置上已经实现。但常规托卡马克装置体积庞大、效率低，突破难度大。上世纪末，科学家们把新兴的超导技术用于托卡马克装置，使基础理论研究和系统运行参数得到很大提高。据科学家估计，可控热核聚变的演示性的聚变堆将于2025年实现，商用聚变堆将于2040年建成。商用堆建成之前，中国科学家还设计把超导托卡马克装置作为中子源，用于环境保护、科学研究及其它途径。这一设想获得国内外专家较高评价。
包括磁体（环向场磁体及极向场磁体）、真空室及其抽气系统、供电系统、控制系统（装置控制和等离子体控制）、加热与电流驱动系统（中性束和微波）、喷气及弹丸注入系统、偏滤器及孔阑、诊断和数据采集与处理系统、包层系统、氚系统、辐射防护系统、遥控操作与维修系统等部件（子系统）。虽然强磁场能提高约束性能，但受工程技术和材料限制，环向磁场一般为2~8T；为了获取稳定的核聚变能输出，托卡马克聚变堆最终要采用超导磁体（稳态运行要求），为此要增加杜瓦、冷屏和低温制冷系统。为将等离子体加热至需要的温度，大型装置的总加热功率为几十兆瓦，国际热核实验堆装置的加热功率为73~130MW。

相比其他方式的受控核聚变，托卡马克拥有不少优势。1968年8月在苏联新西伯利亚召开的第三届等离子体物理和受控核聚变研究国际会议上，阿齐莫维齐宣布在苏联的T-3托卡马克上实现了电子温度1keV，质子温度0.5keV，nτ=10的18次方m-3.s，这是受控核聚变研究的重大突破，在国际上掀起了一股托卡马克的热潮，各国相继建造或改建了一批大型托卡马克装置。其中比较著名的有：美国普林斯顿大学由仿星器-C改建成的ST Tokamak，美国橡树岭国家实验室的奥尔马克，法国冯克奈-奥-罗兹研究所的TFR Tokamak，英国卡拉姆实验室的克利奥（Cleo），西德马克斯-普朗克研究所的Pulsator Tokamak。

ITER

2005年正式确定的国际合作项目ITER，也就是国际热核实验反应堆的缩写，这个项目从1985年开始，由苏联、美国、日本和欧共同提出，目的是建立第一个试验用的聚变反应堆。（注意：ITER已经不是托卡马克装置了，而是试验反应堆，这是一大进步）最初方案是2010年建成一个实验堆，实现1500兆瓦功率输出，造价100亿美元。没想到因为各国想法不同，苏联解体，加上技术手段的限制，一直到了2000年也没有结果，其间美国中途退出，ITER出现胎死腹中的危险。直到2003年，能源危机加剧，各国又重视起来，首先是中国宣布加入了ITER计划，欧洲、日本和俄罗斯自然很高兴，随后美国宣布重返计划。紧接着，韩国和印度也宣布加入。
2005年ITER正式立项，地点在法国的卡达拉申，基本设计不变，力争2015年前全面完成，造价120亿美元，欧盟出40%，法、中、日、美各出10%，剩下的想让别人平摊，韩国印度不干，力争让俄国也出10%，自己出5%（最终美、日、俄、中、韩、印各出约9%）。ITER凑巧是拉丁语“道路”，可见大家对这个东西抱有多大的希望。很有可能，她就是人类解决能源问题的“道路”。如果ITER能成功，下一步就是利用ITER的技术，设计和建造示范商用堆，到那时，离真正的商业核聚变发电就不远了。但是ITER建设中，还有大量的技术问题需要解决，需要有一个原型可以参考，在此基础上，各国的先进超托卡马克装置就成了设计ITER的蓝本。ITER的研究远非一个托卡马克装置，它还有很多难题需要攻克，地雷战里说“各村有各村的高招”，日本的外围设备研究就远远走在了其他国家前面，他们在托卡马克点火领域就很先进，不用高压变压器，直接使用高频电流制造核聚变点火的高温等离子体电流，就已经在日本试验成功了，大功率激光点火也接近完善。

EAST

EAST位于中国合肥，是目前为止，超托卡马克反应体部分，唯一能给ITER提供实验数据的装置，他的结构和应用的技术与规划中的ITER完全一样，没有的仅仅是换能部分。EAST解决了几个重要问题：第一次采用了非圆型垂直截面，目的是在不增加环形直径的前提下增加反应体的体积，提高磁场效率。第一次全部采用了液氦无损耗的超导体系。液氦是很贵的，只有在线圈材料上下功夫，尽量少用液氦，同时让液氦可以循环使用，尽量减少损耗的系统才可能投入实用。此外，EAST还是世界上第一个具有主动冷却结构的托卡马克，它的第一壁是主动冷却的，连接的是一个大型冷却塔，它的冷却水可以保证在长时间运行后将反应产生的热量带走，维持系统的温度平衡，一方面是为真正实现稳定的受控聚变迈出的重要一步，另一方面也是工程化的重要标志——冷却塔换成汽轮机是可以发电的。结合一些相关资料，世界这个领域普遍认为EAST将是第一个能长时间稳定运行的，Q值能达到1的托卡马克装置，当然这可能还要1-2年的时间。就EAST来说，从某种意义上，它就是ITER主反应体大约1/4的一个原型实验装置。

可控核聚变的最新进展

美国能源部2022年12月13日宣布，其下属的劳伦斯利弗莫尔国家实验室科研人员实现了“核聚变点火”，称这一“重大科学突破”将为国防及清洁能源未来发展奠定基础。

　　美能源部在一份声明中说，12月5日，科研人员在劳伦斯利弗莫尔国家实验室“国家点燃实验设施”进行了历史上首次可控核聚变实验，意味着核聚变实验中产生的能量多于用于驱动核聚变的激光能量。这一实验将为推动清洁能源发展提供宝贵见解，有助于实现零碳经济目标。

　　核聚变是太阳和恒星的能量来源。在这些星体核心的巨大热量和重力下，氢原子核相互碰撞，聚合成更重的氦原子，并在此过程中释放出大量能量。与其他核反应不同，核聚变不会产生放射性废物。核聚变技术有望为人类提供近乎无限的清洁能源，帮助人类摆脱对化石燃料的依赖。

　　据美能源部介绍，“国家点燃实验设施”是全球最大、能量最高的激光系统，其使用超强激光束来产生与恒星和巨型行星核心以及核武器内部相当的温度和压力。

　　美国国家核安全管理局副局长马文·亚当斯介绍说，激光束将大量热量集中在一个微型球形胶囊上，结果是一个过热的等离子体环境，其中反应产生的能量比用于产生它的激光中所包含的能量多，约为1.5倍。

　　美能源部称，此次核聚变实验中，“国家点燃实验设施”向目标输入了2.05兆焦耳的能量，产生了3.15兆焦耳的聚变能量输出，首次展示了惯性约束核聚变的最基本科学原理。惯性约束核聚变是实现可控核聚变的两大主流方案之一（另一个是磁约束），该技术利用激光的冲击波使得通常包含氘和氚的燃料球达到极高的温度和压力，来引发核聚变反应。

　　美能源部表示，要实现将方便、可负担的惯性约束核聚变技术应用于为家庭和企业发电的目标，仍需要进行大量先进的科学和技术实验。美能源部正在重启一项惯性约束核聚变发展计划，将与私营部门协调合作，推动核聚变商业化的快速发展。

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