关于磁约束聚变能装置的关键问题与技术进展

时间有限，先马马虎虎写这点吧。未尽的可以和大家讨论。



　　djwkx网友对聚变能源研发领域成就的不屑一顾，认为60年没能搞出什么成果，认为相关领域研究人员是‘骗经费’的。最大的问题在于他对聚变能源的关键问题究竟是什么不了解。



　　聚变能源的关键不在于能源来源原理。而在于如何去“控”。简而言之，问题就在于等离子如何约束。

　　聚变能的原理，以及各种不同轻核、中子之间的反应条件、反应情况人类已经摸得很透了。哪些核素、粒子间能反应；反应的产物是什么；释放、吸收能量多少；在各种温度等条件下反应的速率怎样……

　　了解这样的原理，对于人类发展通过聚变获取能量的技术提供一个基础——无论是要通过此种能量搞破坏，还是要作为能源。我们只要选择恰当的反应物质（一般都选实现条件最容易的氘氚反应作为主产能反应），然后设法实现相应的反应条件。

　　自然，氢弹可以视为是通过选择恰当的核反应材料并实现其反应条件制成的。虽然，热核武器技术十分复杂，也只有五大流氓真正造了出来（道听途说的消息：实际上只有中美两家是完完全全独立造出来的），其它印巴等有核国家都只有裂变弹。但是，人类通过氢弹这种途径，实现并维持聚变反应条件的时间有多长呢？拿弹王来说，它当量超过五千万吨，释放能量约有2.1 x 10^17焦耳，比太阳每秒提供给地球的能量稍多一点。而其维持聚变反应条件的时间，却只有区区几十纳秒。在这几十纳秒中，炸弹沙皇的平均功率达到的太阳功率的1%稍多。

　　几十纳秒……人类想要通过磁约束手段实现聚变能源，需维持聚变反应条件的时间至少要比这高出10个数量级！而这不过才达到百秒级别的持续反应。（顺便提一下惯性约束，此种方式的等离子约束时间也是纳秒级的，该途径也没能实现商业或者工业能源，它有它的难处。）


　　对于等离子的磁约束原理，就科普级别而言，大家回忆高中物理就足够了。粗略而言，在磁场中带电粒子做沿磁力线方向自由、垂直磁力线方向半径为r=c*sqrt(2Tm)/(qB)的回旋运动。c为真空中光速，T为其热运动能，m为其质量，q为其电荷，B为磁场强度。在这样的运动中，只要不发生等离子横越磁场的运动，其将受到很好的约束。

　　但是，等离子体中必然存在空间不均匀性，特别是如果其中发生了释放能量的聚变反应时。这就存在垂直于磁力线方向的能量和质量扩散，按照物理理论，扩散系数正比于碰撞频率与回旋半径平方的乘积。但实际磁约束装置中，等离子横越磁力线的热扩散系数达到理论预测值的几十乃至上百倍！这就是困扰磁约束聚变界几十年的能量反常运输问题。反常运输的存在导致了人们在采用磁场约束等离子体时，实际约束时间远远低于理论预期。

　　总体来说，磁约束等离子体是一个非平衡态多体系统，组成系统的带电粒子（电子和离子）在约束磁场中运动，而粒子及其运动又会产生电磁场（自洽场）而影响系统状态。这是一个自由度十分巨大、具有丰富的集体运动模式的复杂系统。用系统论的说法，反常运输是因为大量等离子相互作用而“涌现”出来的、对我们来说很困扰的特性。由于涉及到复杂动力系统的混沌，其规律极难把握，只能通过大量的实验协助总结。

　　反常运输可以视为是等离子体中的湍流。尽管经过长期的研究，时至今日，人们对于此种湍流的发展过程、饱和机制、饱和幅值及其与等离子体参数的关系等方面的认识仍然有待深化。因此，我们现在仍然不能从理论上准确计算离子的热传导系数。对电子能量反常输运的认识就更欠缺，甚至连驱动机制也还不能完全确定。

　　除了反常运输，在磁约束等离子体中还有五彩缤纷的众多自组织物理现象。这些现象都可看作是非线性力学系统中的自组织现象在磁约束等离子体中的具体表现，具有很重要的普遍意义，同时又很典型，内容很丰富。可以说，在这方面，磁约束聚变等离子体已经积累了十分可观的实验数据和观测资料。但是，通过对这些资料和数据的分析去探索其背后的深层次的物理机理的工作，却还是亟待发展。

　　磁约束“可控核聚变”，研究的重点在等离子体本身，就是要研究怎么样才能足够长时间的约束住高参数等离子体，从而维持住核聚变反应的条件。这也是为什么中国搞核聚变的机构叫做“等离子所”。研究人员最关键的任务就是搞清楚等离子体的各种动力机制，设法加强和利用有利的机制。找出一条最适合加强等离子约束效果的控制道路。
　　在等离子动力学特性中，比较有名的发现之一即是H模（高约束模式）。等离子体一旦达到H模后，对于反常运输的壁垒能力比L模时翻倍，能量约束时间也能翻倍。由L模向H模转变的这种突变很像非线性力学中的分叉现象,它是由等离子体自发产生的，是一种自组织现象。但是，其具体的转变条件，机制、控制参量及其对等离子体参数的依赖关系等，目前仍然缺乏定量的理论描述。通过恰当控制等离子体使其达到和保持H模，就是我这个外行了解到的可能还包含很多谬误在内的等离子研究成果之一。当然，将被约束等离子体的截面从圆形变为恰当的非圆形，也是等离子体研究人员通过大量实验和计算改进的约束技术。
　　当然，另外一个方面，把磁瓶本身造大造强，增加其约束能力也是努力方向之一。纵观托卡马克和仿星器研究的几十年历史，其趋势也是越变越大。这就需要挑战材料和技术极限，制造更大更强的电磁铁。挑战工程施工精度，以保证建造出来的磁瓶瑕疵在设计容忍范围内……

　　说了很多约束的事情，我们回头看看核反应的条件。
　　在同djwkx讨论中我提到一个很基本的概念：三重积。相信很多关注磁约束核聚变的人对此并不陌生，其含义就是等离子体三个指标的乘积，这三个指标是：1.等离子体密度、2.温度、3.维持此种温度、密度状态的时间。前面我们提到过不同的核反应条件等指标是不同的，对应的，它们达到盈亏平衡时的三重积是不同的。看有人讲，三重积更早的名称叫做“劳森判据”或者“劳逊判据”。但有的资料说“劳森判据”里面没有关于温度因素的严格规定，其描述的是五千万到一亿开时的情况。

　　对于磁约束核聚变，等离子体约束的最低目标就是其三重积要达到并超过相应反应的三重积。如此才能保证输出能量和输入能量的比值Q大于1。

　　当然，对于我们目标中最简单的氘氚核聚变反应，Q>1是远远不够的。氘氚反应的能量，4/5由中子带走，剩下的1/5由氦原子核继续以离子状态留在等离子体中。不考虑轫致辐射，不考虑氦“灰烬”排出带走能量，以及新燃料的注入和加热需要能量。Q值至少也需要达到5以上才能够达到一种比较自然的平衡：中子带走一定的反应能量，而等离子体能保持原有温度而不必过多依赖外部条件加热。
　　为了达到这样或者更高的目标，我们需要不断的提高等离子体约束水平。

　　磁约束聚变研究几十年以来，进行过研究的国家有48个，总投入的资金超过300亿美元（2006年《自然杂志》上西南物理研究院的丁厚昌和黄锦华文章提到“接近300亿美元”）。约束装置大体经历了四代，等离子约束温度从几百万度、一两千万度，达到一亿度以上。约束时间从毫秒级达到秒级。聚变能源输出从基本没有到兆焦级别。Q值从几乎没有达到了接近1的水平，取得了非常大的进步。其中，日本人在JT-60上曾经达到换算氘氚反应满足Q>1的等离子体三重积。不过这个指标是他们在有限的条件下，单纯追求单一指标而做的一种堪称偏门的打法，想想这也符合日本人的操行，当然，成绩值得肯定。上世纪末至本世纪初，等离子约束的水平还是看欧洲的联合环（JET）更靠谱些。

　　建设中的ITER是人类目前建设的最大的磁约束装置。人类将在其中获得300~500秒的能量约束时间，令Q达到10左右。但该装置也只是一个实验装置。其除了实验最为核心和关键的等离子约束。如果具体一点的话，比如，如何测量反应炉内不同位置等离子体的温度、密度，如何依据测量得到的指标进行恰当的反馈控制（自然，反馈控制将由计算机自动完成，但是软件毕竟还要人来书写、试验、总结、调试）。还要实验偏滤器排灰等众多相关技术。未来投入商业运行的设施Q应该会达到30以上。

时间有限，先马马虎虎写这点吧。未尽的可以和大家讨论。



　　djwkx网友对聚变能源研发领域成就的不屑一顾，认为60年没能搞出什么成果，认为相关领域研究人员是‘骗经费’的。最大的问题在于他对聚变能源的关键问题究竟是什么不了解。



　　聚变能源的关键不在于能源来源原理。而在于如何去“控”。简而言之，问题就在于等离子如何约束。

　　聚变能的原理，以及各种不同轻核、中子之间的反应条件、反应情况人类已经摸得很透了。哪些核素、粒子间能反应；反应的产物是什么；释放、吸收能量多少；在各种温度等条件下反应的速率怎样……

　　了解这样的原理，对于人类发展通过聚变获取能量的技术提供一个基础——无论是要通过此种能量搞破坏，还是要作为能源。我们只要选择恰当的反应物质（一般都选实现条件最容易的氘氚反应作为主产能反应），然后设法实现相应的反应条件。

　　自然，氢弹可以视为是通过选择恰当的核反应材料并实现其反应条件制成的。虽然，热核武器技术十分复杂，也只有五大流氓真正造了出来（道听途说的消息：实际上只有中美两家是完完全全独立造出来的），其它印巴等有核国家都只有裂变弹。但是，人类通过氢弹这种途径，实现并维持聚变反应条件的时间有多长呢？拿弹王来说，它当量超过五千万吨，释放能量约有2.1 x 10^17焦耳，比太阳每秒提供给地球的能量稍多一点。而其维持聚变反应条件的时间，却只有区区几十纳秒。在这几十纳秒中，炸弹沙皇的平均功率达到的太阳功率的1%稍多。

　　几十纳秒……人类想要通过磁约束手段实现聚变能源，需维持聚变反应条件的时间至少要比这高出10个数量级！而这不过才达到百秒级别的持续反应。（顺便提一下惯性约束，此种方式的等离子约束时间也是纳秒级的，该途径也没能实现商业或者工业能源，它有它的难处。）


　　对于等离子的磁约束原理，就科普级别而言，大家回忆高中物理就足够了。粗略而言，在磁场中带电粒子做沿磁力线方向自由、垂直磁力线方向半径为r=c*sqrt(2Tm)/(qB)的回旋运动。c为真空中光速，T为其热运动能，m为其质量，q为其电荷，B为磁场强度。在这样的运动中，只要不发生等离子横越磁场的运动，其将受到很好的约束。

　　但是，等离子体中必然存在空间不均匀性，特别是如果其中发生了释放能量的聚变反应时。这就存在垂直于磁力线方向的能量和质量扩散，按照物理理论，扩散系数正比于碰撞频率与回旋半径平方的乘积。但实际磁约束装置中，等离子横越磁力线的热扩散系数达到理论预测值的几十乃至上百倍！这就是困扰磁约束聚变界几十年的能量反常运输问题。反常运输的存在导致了人们在采用磁场约束等离子体时，实际约束时间远远低于理论预期。

　　总体来说，磁约束等离子体是一个非平衡态多体系统，组成系统的带电粒子（电子和离子）在约束磁场中运动，而粒子及其运动又会产生电磁场（自洽场）而影响系统状态。这是一个自由度十分巨大、具有丰富的集体运动模式的复杂系统。用系统论的说法，反常运输是因为大量等离子相互作用而“涌现”出来的、对我们来说很困扰的特性。由于涉及到复杂动力系统的混沌，其规律极难把握，只能通过大量的实验协助总结。

　　反常运输可以视为是等离子体中的湍流。尽管经过长期的研究，时至今日，人们对于此种湍流的发展过程、饱和机制、饱和幅值及其与等离子体参数的关系等方面的认识仍然有待深化。因此，我们现在仍然不能从理论上准确计算离子的热传导系数。对电子能量反常输运的认识就更欠缺，甚至连驱动机制也还不能完全确定。

　　除了反常运输，在磁约束等离子体中还有五彩缤纷的众多自组织物理现象。这些现象都可看作是非线性力学系统中的自组织现象在磁约束等离子体中的具体表现，具有很重要的普遍意义，同时又很典型，内容很丰富。可以说，在这方面，磁约束聚变等离子体已经积累了十分可观的实验数据和观测资料。但是，通过对这些资料和数据的分析去探索其背后的深层次的物理机理的工作，却还是亟待发展。

　　磁约束“可控核聚变”，研究的重点在等离子体本身，就是要研究怎么样才能足够长时间的约束住高参数等离子体，从而维持住核聚变反应的条件。这也是为什么中国搞核聚变的机构叫做“等离子所”。研究人员最关键的任务就是搞清楚等离子体的各种动力机制，设法加强和利用有利的机制。找出一条最适合加强等离子约束效果的控制道路。
　　在等离子动力学特性中，比较有名的发现之一即是H模（高约束模式）。等离子体一旦达到H模后，对于反常运输的壁垒能力比L模时翻倍，能量约束时间也能翻倍。由L模向H模转变的这种突变很像非线性力学中的分叉现象,它是由等离子体自发产生的，是一种自组织现象。但是，其具体的转变条件，机制、控制参量及其对等离子体参数的依赖关系等，目前仍然缺乏定量的理论描述。通过恰当控制等离子体使其达到和保持H模，就是我这个外行了解到的可能还包含很多谬误在内的等离子研究成果之一。当然，将被约束等离子体的截面从圆形变为恰当的非圆形，也是等离子体研究人员通过大量实验和计算改进的约束技术。
　　当然，另外一个方面，把磁瓶本身造大造强，增加其约束能力也是努力方向之一。纵观托卡马克和仿星器研究的几十年历史，其趋势也是越变越大。这就需要挑战材料和技术极限，制造更大更强的电磁铁。挑战工程施工精度，以保证建造出来的磁瓶瑕疵在设计容忍范围内……

　　说了很多约束的事情，我们回头看看核反应的条件。
　　在同djwkx讨论中我提到一个很基本的概念：三重积。相信很多关注磁约束核聚变的人对此并不陌生，其含义就是等离子体三个指标的乘积，这三个指标是：1.等离子体密度、2.温度、3.维持此种温度、密度状态的时间。前面我们提到过不同的核反应条件等指标是不同的，对应的，它们达到盈亏平衡时的三重积是不同的。看有人讲，三重积更早的名称叫做“劳森判据”或者“劳逊判据”。但有的资料说“劳森判据”里面没有关于温度因素的严格规定，其描述的是五千万到一亿开时的情况。

　　对于磁约束核聚变，等离子体约束的最低目标就是其三重积要达到并超过相应反应的三重积。如此才能保证输出能量和输入能量的比值Q大于1。

　　当然，对于我们目标中最简单的氘氚核聚变反应，Q>1是远远不够的。氘氚反应的能量，4/5由中子带走，剩下的1/5由氦原子核继续以离子状态留在等离子体中。不考虑轫致辐射，不考虑氦“灰烬”排出带走能量，以及新燃料的注入和加热需要能量。Q值至少也需要达到5以上才能够达到一种比较自然的平衡：中子带走一定的反应能量，而等离子体能保持原有温度而不必过多依赖外部条件加热。
　　为了达到这样或者更高的目标，我们需要不断的提高等离子体约束水平。

　　磁约束聚变研究几十年以来，进行过研究的国家有48个，总投入的资金超过300亿美元（2006年《自然杂志》上西南物理研究院的丁厚昌和黄锦华文章提到“接近300亿美元”）。约束装置大体经历了四代，等离子约束温度从几百万度、一两千万度，达到一亿度以上。约束时间从毫秒级达到秒级。聚变能源输出从基本没有到兆焦级别。Q值从几乎没有达到了接近1的水平，取得了非常大的进步。其中，日本人在JT-60上曾经达到换算氘氚反应满足Q>1的等离子体三重积。不过这个指标是他们在有限的条件下，单纯追求单一指标而做的一种堪称偏门的打法，想想这也符合日本人的操行，当然，成绩值得肯定。上世纪末至本世纪初，等离子约束的水平还是看欧洲的联合环（JET）更靠谱些。

　　建设中的ITER是人类目前建设的最大的磁约束装置。人类将在其中获得300~500秒的能量约束时间，令Q达到10左右。但该装置也只是一个实验装置。其除了实验最为核心和关键的等离子约束。如果具体一点的话，比如，如何测量反应炉内不同位置等离子体的温度、密度，如何依据测量得到的指标进行恰当的反馈控制（自然，反馈控制将由计算机自动完成，但是软件毕竟还要人来书写、试验、总结、调试）。还要实验偏滤器排灰等众多相关技术。未来投入商业运行的设施Q应该会达到30以上。

今天23日了

哇，潜力贴，留个爪。。。

时间有限，先马马虎虎写这点吧。未尽的可以和大家讨论。再考虑编辑编辑。

支持原创，尊重科技工作者的劳动成果

顶了~
讨论个科学问题也能变成人参公鸡，真是服了。。

不错，有点专业的意思。民科帮顶一下。

感谢楼主的科普

参与ITER的各国，都有计划在消化吸收ITER技术成果的基础上，自建不同阶段的实验堆的计划，或阶段平行于iter，属实验堆，或者更接近DEMO堆即示范堆，取决于未来数年间的技术进展。我国正在筹建CFETR，保守目标实现50~200MW的聚变功率，更激进的目标是实现占运行时间的30~50%的有效燃烧时间，ITER为4%。。。。