核聚变产能的未来之路：法国ITER与等离子约束新进展

核聚变产能的未来之路：法国ITER与等离子约束新进展

Pascale Hennequin

巴黎综合理工学院等离子体物理实验室磁聚变等离子体课题组带头人、法国国家科学研究中心（CNRS）研究主任

聚变能的潜力巨大，不仅能提供稳定的能源，还能避免温室气体排放和放射性废物的产生。在追求清洁能源的道路上，国际热核聚变实验反应堆（ITER）项目展示了科学界如何通过合作来应对全球挑战。位于法国的ITER正在探索利用氢同位素氘和氚的聚变来生成能量，这一过程不依赖链式反应，且不会产生温室气体或高放射性废物。面对这一宏大而复杂的项目，我们能否在未来的数十年内实现商用聚变能？

• 核聚变有望成为未来的又一绿色能源，既不会产生温室气体，也不会产生长寿命裂变产物或高放射性元素。

• 位于法国的国际热核聚变实验反应堆（ITER）是一项长期跨国合作科研项目，共有34个国家参与，但至少要到2027年其中的等离子体才能达到聚变反应的条件。

• ITER所使用的装置称为托卡马克（tokamak），能产生强磁场，并以极高温度（约1亿摄氏度）长时间维持相对较高的轻离子密度。

• 对于合作国家而言，ITER项目的重要性不可忽视，因为它是唯一能够全方位验证聚变能相关设想的平台。

• 所有参与该项目的国家都在积极研发，力求在本世纪下半叶实现聚变能的供给。

• 有众多初创企业甚至个人在科研中发挥了重要作用，标志着聚变能领域的逐渐成熟。

十余年来，位于法国卡达拉舍的国际热核聚变实验反应堆（ITER）持续推进相关实验，已取得显著成果。然而，这是一项需要历经数十年才有望取得突破的项目。在聚变科学中，最主要的挑战在于创造并维持温度高达1.5亿摄氏度的等离子体（一种包含带电粒子的介质），让聚变反应得以延续。

等离子体，被誉为“物质的第四种状态”（继固态、液态和气态之后），常被形象地描述为“电子和离子的混合物”。这种状态在宇宙中并不罕见，在极光、大气电离层中就有等离子体的存在：当太阳风粒子撞击高层大气，辐射会将电子从原子或分子中剥离，引发电离现象。电离层作为一种稀薄且部分电离的介质，其内部的电子具有高能量，然而离子、原子、分子却保持低温状态，这正是等离子体独特的集体效应在起作用。

另一种显著不同的等离子体存在于太阳或其他恒星的中心，那里的物质完全电离并达到上千万摄氏度。在这样的环境下，氢等轻元素能够通过聚变形成更重的原子。聚变过程需要大量的能量输入，但其产生的能量更为巨大。我们所说的“聚变能”，正是试图在实验室环境中重现这一自然过程。

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ITER：前沿核聚变反应堆

ITER项目通过聚变氢的同位素氘和氚形成氦，并释放能量。过程中使用的关键装置名为托卡马克（tokamak），这是一个源自俄语的缩写，意为“带磁线圈的环形腔室”。托卡马克装置最初由苏联在20世纪50至60年代研发，利用磁场的力量将带电粒子约束在等离子体中。

ITER作为一个实验性的反应堆，共有34个国家参与研发，代表了前所未有的国际科研合作。该设施位于法国马赛北部的卡达拉舍地区，以50年来的理论研究为基础，其核心是一个巨大的托卡马克装置，高度接近30米，现已进入核聚变的示范阶段。

“ITER作为一个实验性的反应堆，共有34个国家参与研发，代表了前所未有的国际科研合作，以50年来的理论研究为基础，现已进入核聚变的示范阶段。”

要实现聚变，原子核必须以足够高的速度和频率进行碰撞，以克服库仑排斥力，从而保证聚变持续进行。为此，托卡马克需在极端高温（约达1亿摄氏度）下长时间维持相对较高的轻离子密度。

重原子裂变过程中，反应产物本身会触发更多的反应（既链式反应）。但聚变并不依赖任何媒介（如裂变反应里的中子），不会发生链式反应，不存在失控的风险，故更有实际应用价值。除此之外，聚变既不会产生温室气体，也不会产生长寿命裂变产物或高放射性元素。尽管反应堆内的材料会被活化，但其半衰期相对较短。值得一提的是，聚变燃料来源丰富，例如，每立方米的水中就含有33克氘，可通过电解法轻松提取。同时，氚可以在聚变反应堆中通过锂来产生，而锂在地球上的储量也相当充足。

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强磁场的“粒子牢笼”

由于常规材料制成的容器无法承受热核条件（1.5亿摄氏度）下的等离子体，因此需要借助强磁场（强度在5到10T量级）约束粒子，防止等离子体的带电粒子碰壁损失。托卡马克装置采用了三个线圈系统，构建出一个环形的“磁场笼”，能够有效地约束带电粒子，并让其在腔室内循环。这是目前最可行的方案。

在引发聚变反应方面，目前存在几种等离子体加热方式：首先是射频加热（即微波加热）；其次是碰撞加热；最后是通过加速器注入高能氢离子。然而，当前的挑战在于如何将高能离子中性化，使其能够顺利进入托卡马克装置，毕竟托卡马克是一个“笼子”，无论进还是出都不容易。

要将等离子体维持在高温以持续剧变反应，关键在于确保其“稳定性”。等离子体在高温状态下极易变得不稳定，可能会产生湍流，进而破坏热力学平衡，导致离子在容器壁上损失。太阳表面出现日珥，将粒子以太阳风的形式喷射到地球，原理是类似的。

图片来源：PI France

ITER装置之所以设计为较大的尺寸，原因在于湍流所引发的搅动会加剧等离子体在磁场方向上的碰撞扩散。大大小小的涡流会搅动等离子体，有利于温度较高的核心区域与温度较低的边缘区域发生混合。为了维持等离子体核心的热量稳定，就需要增设更多的绝缘层。当前，我们致力于研发适用于极端环境条件的观测工具，旨在深入理解并模拟这些复杂现象，从而优化对湍流的控制策略。

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除了托卡马克之外，还有哪些技术能约束等离子体？

还有德国马克斯·普朗克研究所研发的“仿星器”等。有些理论宣称能够通过低科技设备达到磁场约束的效果，但都是无稽之谈。

不同的磁约束技术之间的差异在于产生复杂磁场的具体机制。仿星器通过高度复杂的线圈直接并持续地生成磁场。而托卡马克装置则是通过线圈产生的磁场与等离子体电流自身产生的磁场的叠加来实现磁约束。在ITER中，这种等离子体电流呈脉冲性，脉冲周期十分钟左右。目前很难说哪种磁约束装置最有效，需要综合考虑多个因素，包括设备的尺寸、经济可行性等。

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ITER：久久为功

尽管ITER项目在20世纪80年代中期就已启动，但预计至少要到2027年，其中的等离子体才能达到聚变反应的条件。然而，所有参与该项目的国家都在积极研发，力求在本世纪下半叶实现聚变能的供给。近期，欧洲最大的托卡马克装置JET创造了新的聚变能记录，成功在真实的氘氚靶等离子体中产生了59MJ的能量。同时，采用高温超导体的托卡马克线圈已能产生高达20T的强磁场，这为制造尺寸更小、效率更高、成本更低的设备奠定了基础。这些进步中，有越来越多的初创企业甚至个人在其中发挥了重要作用，标志着聚变能领域的逐渐成熟。对于合作国家而言，ITER项目的重要性依然不可忽视，因为它是唯一能够全方位验证聚变能相关设想的平台。

作者

Pascale Hennequin

Meister Xia