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聚变研究历史与进展

    1919年英国物理学家阿斯顿(F.W.Aston)发现轻核聚变反应,并和卢瑟福(L.Rutherford)一起证实了轻元素以足够大的能量碰撞引起核反应的现象。10年后,阿特金森(R.Atkinson)和奥特曼斯(F.Houtemans)提出了太阳内氢原子在几千万度高温下聚变成氦的假设。第二次世界大战期间著名物理学家费米(E. Fermi)和爱德华·泰勒(E. Teller)提出了氢弹原理和核聚变反应堆的设想。早在氢弹爆炸前5年,英国帝国大学的汤姆逊(G. P. Thomson)就提出,利用箍缩效应使等离子体离开器壁,并加热到热核反应所需温度来控制热核反应的设想。同期前苏联也开展了类似的研究。为了解决环形等离子体的平衡问题,塔姆(I. E. Tamm)和萨哈洛夫(A. D. SaSharov)提出,在环形等离子体中通以大电流,所产生的极向磁场和环向磁场一起形成的磁场位形,可以约束等离子体。

氢弹的爆炸无可辩驳地证明了氢同位素聚变热核反应。英、美和前苏联从核武器发展考虑,一直在互相保密的情况下,开展受控热核聚变研究。在研究初期,科学家们认为受控热核聚变的成功,会像氢弹一样,指日而待。但经过近20年的努力,到1958年受控热核聚变还未能实现。其中最使科学家们困惑的,莫过于环形装置实验达到的约束时间,远小于理论预计的约束时间。鉴于研究工作停滞不前的困境,英、美和前苏联的科学家意识到,保密不利于研究工作发展,很快建成聚变堆的预期不切实际。于是三国科学家开始了互访交流,并在1958年秋在瑞士日内瓦举行的第二届和平利用原子能国际会议上,三国展出了各种核聚变实验装置,而且达成协议,互相公开研究计划。这次会议以后,受控热核聚变研究的重点逐步转移到高温等离子体等基础问题上。
在等离子体约束装置研究方面,角向箍缩曾有一段鼎盛时期,其离子温度达到几百到几千电子伏,遥遥领先于其他装置,但约束时间太短。此后为消除终端损耗,环形箍缩装置受到重视。在理论方面,等离子体偏离麦克斯韦分布所引起的微观不稳定性开始为科学家们所重视。朗道阻尼在实验上得到证实也是这一时期的一个重要研究成果。
1968年在原苏联新西伯利亚召开的第三届会议上,各国科学家报告了各类装置上的实验进展和有关激光约束等离子体的研究进展。令科学家们感到鼓舞的,莫过于阿齐莫维奇公布的托卡马克T-3上取得的最新实验结果。在T-3上,电子温度达到1keV(千电子伏),离子温度达到0.5keV,等离子体约束时间达到了玻姆扩散时间的50倍,nτT值达1018 m-3 s 。会上有些科学家对此结果持怀疑态度。
1969年卡拉姆实验室主任皮斯(R. S. Pease)征得阿齐莫维奇同意,派了一个专家组,用激光散射仪核实了T-3的电子温度,并证实了电子速度的麦克斯韦分布。从此,各国掀起了研究托卡马克的热潮,纷纷建设大小不等的托卡马克装置。美国普林斯顿等离子体物理实验室很快将仿星器C改建成托卡马克ST。ST验证了T-3的实验结果;T-4得到了接近3keV的电子温度,约束时间长达10 ms。此后,法国TFR上,等离子体电流高达360 kA;美国ATC和ORMAK上采用高能中性束加热,等离子体温度达200~300 e V。在ST和ATC上还分别进行了离子回旋共振加热和绝热压缩加热;在强磁场托卡马克ALCATOR上进行了高密度运行实验;在T-9、DOUBLET-II及JFT-IIA上进行了非圆截面托卡马克实验。
20世纪70年代中期,第二代托卡马克相继建成并投入运行。PLT和T-10运行不久,就得到600 kA以上的等离子体电流,电子温度超过1 keV,能量约束时间τE是40~60 ms。在托卡马克的热潮中,从事其它途径研究的科学家仍在尝试:箍缩方面有环形、带状和环形螺旋等装置的实验和理论研究;磁镜方面有八极磁镜(有8根约飞棒)、垒球-II和2X-II等的实验研究;激光约束等离子体和电子束产生等离子体的研究等。聚变堆的概念设计也开始进行。到70年代后期,托卡马克上的研究取得了不断进步:在ISX上,平均β值达2.2%,中心β值达8%;在T-11上,平均β值达2%~2.5%,中心β值达9%,都超过了气球模的β极限。
在理论方面,到20世纪70年代中期,研究工作主要针对基础理论问题。到了后期,主要工作转变为理论与实验对比研究。关键研究内容包括反常电子热导、磁流体动力稳定的β极限、杂质行为和控制、辅助加热和聚变堆热稳定性等等。
一系列研究的突破,为托卡马克型聚变堆初步设计打下了科学基础。20世纪80年代,聚变研究的热点,已经从聚变功率的获取条件转向经济上可行的聚变堆特性优化问题。如高β值、加热系统的效率、准稳态运行能力以及便于装卸的线圈结构等等。20世纪80年代最大的托卡马克TFTR和JET的实验结果于1984年在第十次国际会议上初次发表。在JET上,获得了3.7兆安的等离子体电流,持续时间几秒;在TFTR上,等离子体电流达到1.4MA。
在能量约束的定标研究中,除了上述TFTR和JET的第一批结果外,在ALCATOR-C和DOUBLET-III上用弹丸注入加料代替喷气注入,改善了约束,使nτT值超过了1018 m-3 s 。以往的实验曾发现,辅助加热会影响约束状态,这类放电称为低模放电。在特殊条件下,变坏的约束可以恢复到欧姆加热时的约束水平,这类放电称为高模放电。首先在ASDEX上,后来在DOUBLET-III和PDX上,通过使用偏滤器,得到了高模放电。高模放电中,约束的改进有赖于弹丸注入或其它措施使密度分布峰化。在这类放电中,等离子体热导率降低,能量约束时间增加。
1971年,英国的皮克顿(R. J. BicSerton)等曾预示,在环形等离子体的扩散过程中,沿着香蕉形轨道往返运行的部分带电粒子起着增强输运的作用,所引起的压强梯度会产生环向电流,称为靴带电流(Bootstrap current)或自举电流。在TFTR中观察到自举电流占等离子体电流的40%。到20世纪80年代后期,在TFTR和JET上,自举电流高达总电流的70%-80%。
20世纪80年代后期,实验技术的进展和等离子体参数的提高更是可观。在中性束注入方面,TFTR上的辅助加热功率达32MW,在JET、JT-60和DIII-D上,功率达15~20MW。在JET上,离子回旋加热功率达18MW,输入JT-60的低杂波功率达8MW。在T-10和DI­II-D上,电子回旋频段的输入功率分别达到3MW和1.4MW。在许多托卡马克上,氢丸或氘丸的注入推进了实验工作。
20世纪90年代,在JET上成功进行了氚的注入。拥有托卡马克的国家更多。较小的装置提供了湍流信息和边缘等离子体行为参数。新的装置投入运行,其中START获得了小环径比位形的结果;ASDEX-U是一个备有大偏滤器的装置。JET上的等离子体电流高达7 MA;在JT-60和JET上,采取了控制破裂的措施,检测破裂的先兆,调节等离子体的参数,己能防止发展较慢的破裂。在高指标运行中,等离子体电流都在技术极限以内。这一时期JT60和DIII-D的进展最为显著。
托卡马克研究上的进展使得国际受控聚变界对聚变堆的发展逐渐乐观。1988年,举世瞩目的ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor)概念设计开始,1990年完成。然而,以ITER概念设计为标准,外推到商业堆,经济可行性不高。首先,其运行是脉冲的。为了避免燃烧间歇引起的GW量级的功率浪费,需要扩大贮能系统,增加投资。而且在脉冲运行中,应力循环和热循环将引起结构材料的疲劳。其次,装置须在低q值下运行,等离子体电流高达几十兆安,而自举电流所占份额不大。过大的等离子体电流必然增大破裂引起的损伤。此外,脉冲堆的聚变功率密度较低,而尺寸过大,发电成本高,缺乏商业竞争力。因此,继ITER之后,又有人提出了先进堆,如SSTR、ARIES-I和ARIES-II等概念。它们的主要目标都着眼于稳态运行,缩小尺寸,提高聚变功率密度,增大自举电流份额。
1990年以来非托卡马克装置研究也大有进展。美国建成了最大的反场箍缩MST,瑞典正在建造EXTRAT-2;日本建成了超导大螺旋器LHD,德国提出了模块式仿星器WVII-X的方案,这两个仿星器装置都接近堆的规模。在托卡马克型装置渐臻成熟的今天,反场箍缩和仿星器型装置之所以仍受重视,是因为它们可以揭示不易从托卡马克装置上获得的新特点。前者可望不需辅助加热即能达到点火温度,而后者的磁场位形全由外部线圈控制,无需等离子体电流。
目前主要的几种可控核聚变方式有:磁约束核聚变(托卡马克)、激光约束(惯性约束)核聚变、超声波核聚变。其中磁约束是利用强磁场约束带电粒子,构造反应腔,建成聚变反应堆,将聚变材料加热至数亿度高温,实现聚变反应。“托卡马克”型磁场约束法,主要利用大电流所产生的强磁场,把等离子体约束在很小范围内实现核聚变。惯性约束核聚变是把几毫克的氘和氚的混合气体或固体,装入直径约几毫米的小球内,从外面均匀射入激光束或粒子束,球面因吸收能量而向外蒸发,受它的反作用,球面内层向内挤压(反作用力是一种惯性力,靠它使气体约束,所以称为惯性约束),小球内气体受挤压而压力升高,并伴随着温度的急剧升高。当温度达到所需要的点火温度(几十亿度)时,小球内气体发生爆炸,并产生大量热能。这种爆炸过程时间很短,只有几个皮秒(1万亿分之一秒)。如每秒钟发生三、四次这样的爆炸并且持续进行,所释放出的能量就相当于百万千瓦级的发电站。