人類距離可控核聚變還有多遠,？“人造太陽”：能源自由的愿景(3)

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2025-02-08 15:53:28 光明網(wǎng)

道路依舊充滿挑戰(zhàn)

“穩(wěn)態(tài)自持燃燒”是源源不斷獲取聚變能的關鍵

在眾多技術途徑中，托卡馬克是通過等離子體電流和外部磁體線圈產(chǎn)生的螺旋磁場約束聚變?nèi)剂想x子,，被認為有望率先實現(xiàn)聚變能源的應用,，也是目前全球研發(fā)投入最大、最接近核聚變點火條件,、技術發(fā)展最成熟的途徑,。

托卡馬克最初是由蘇聯(lián)庫爾恰托夫研究所的阿齊莫維齊等人在20世紀50年代發(fā)明的，是一種利用磁場約束帶電粒子來實現(xiàn)可控核聚變的環(huán)形容器,。當前,，世界上建成并運行了超過50個不同規(guī)模的托卡馬克裝置，不同托卡馬克裝置的幾何尺寸,、等離子體約束性能等也各有不同,。目前中國運行的托卡馬克主要包括常規(guī)托卡馬克和球形托卡馬克。

自托卡馬克開展實驗以來,，等離子體綜合參數(shù)不斷提升,，“三乘積”提升了幾個數(shù)量級，逐漸趨近點火條件,。歐洲的JET與美國的TFTR裝置上獲得氘氚聚變功率輸出,，揭示了托卡馬克磁約束可控核聚變路線的原理可行性。2021—2023年,，JET創(chuàng)造了69兆焦耳聚變能輸出的世界紀錄,。

托卡馬克磁約束核聚變研究雖然不斷取得突破，但前方的道路依舊充滿挑戰(zhàn),。堆芯等離子體“穩(wěn)態(tài)自持燃燒”是源源不斷獲取聚變能的關鍵,，實現(xiàn)該目標主要有五大類問題需要解決。

一是等離子體非感應電流驅動問題,。等離子體電流由歐姆驅動電流和非感應驅動的電流組成,。歐姆驅動電流是基于變壓器原理,，通過等離子體外部線圈電流變化感應而來的。對于非感應電流驅動,，一部分可以通過外部的高功率微波和中性粒子束注入來驅動,，另一部分則來自等離子體自身壓強梯度產(chǎn)生的“自舉電流”，實驗上希望等離子體自己提供的這部分電流份額越高越好,。

二是加料與排灰問題,。聚變等離子體被約束在真空室內(nèi)，形成一種類似“甜甜圈”的形狀,。在“甜甜圈”環(huán)向軸中心位置附近的等離子體密度和溫度最高,，越往邊界參數(shù)越低。傳統(tǒng)加料方式注入的中性氣體氘和氚,，難以深入等離子體芯部,，其燃燒效率難以提高。同時堆芯等離子體聚變反應,，會產(chǎn)生大量的氦,，也被稱為氦灰。氦灰容易堆積在芯部,，導致等離子體性能退化,，甚至引發(fā)等離子體熄滅。

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