磁約束核聚變科學簡介

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核裂變是一個原子核分裂成幾個原子核的變化。只有一些質量非常大的原子核像鈾、釷等才能發生核裂變。這些原子的原子核在吸收一個中子以後會分裂成兩個或更多個質量較小的原子核，同時放出二個到三個中子和很大的能量，又能使別的原子核接著發生核裂變，使過程持續進行下去，這種過程稱作鏈式反應。原子核在發生核裂變時，釋放出巨大的能量稱為原子核能，俗稱原子能。1克鈾235完全發生核裂變後放出的能量相當於燃燒2.5噸煤所產生的能量。

比原子彈威力更大的核武器是氫彈，就是利用核聚變來發揮作用的。核聚變的過程與核裂變相反，是幾個原子核聚合成一個原子核的過程。只有較輕的原子核才能發生核聚變，比如氫的同位素氘、氚等。核聚變也會放出巨大的能量，而且比核裂變放出的能量更大。太陽內部連續進行著氫聚變成氦過程，它的光和熱就是由核聚變產生的。

相比核裂變，核聚變的放射性污染等環境問題少很多。如氘和氚之核聚變反應，其原料可直接取自海水，來源幾乎取之不盡，因而是比較理想的能源取得方式。

什麼是磁約束核聚變

磁約束核聚變是用特殊形態的磁場把氘、氚等輕原子核和自由電子組成的、處於熱核反應狀態的超高溫等離子體約束在有限的體積內，使它受控制地發生大量的原子核聚變反應，釋放出能量。磁約束熱核聚變是當前開發聚變能源中最有希望的途徑，是等離子體物理學的一項重大應用。

二十世紀初，愛因斯坦發現了質能相互聯繫規律，從而揭示了太陽輻射能來源於輕核聚變反應。說明了重核裂變和輕核聚變後的質量虧損，以能量釋放出來，為原子彈和氫彈的發明奠定了理論基礎，也為和平利用核能提供了依據。

在原子彈發明前，人們建立了核反應堆，它是能維持可控自持鏈式裂變反應，裝配了核燃料以實現大規模可控裂變鏈式反應的裝置。反應堆核燃料選用鈾235或鈈239，中子慢化劑選用石墨或重水，為控制核反應速度利用鎘，銀或銦棒來調節反應速度，冷卻劑選用重水，水，二氧化碳，氯氣等。

單位質量的氘氚等較輕的原子核聚變成較重的原子核時，會釋放比裂變更多的核能，但這種聚變反應只能在極高溫度下進行，任何固體材料在這樣溫度下，都將燒毀，因此，需要用特殊形態的磁場把由氘氚等原子核及自由電子組成的一定密度的高溫等離子體約束在有限體積內，使之脫離器壁並限制其熱導，這是實現受控熱核聚變的重要條件。

磁約束核聚變有多種方法。有一種稱磁鏡裝置，它利用兩個電流相反方向的線圈產生一個中間弱，兩端強的磁場，這一磁場區域的兩端就形成了兩個磁鏡（magnetic mirror），平行於磁場方向的速度分量不太大的帶電粒子將被約束在兩個磁鏡之間的磁場內來回運動，而不能逃脫。這種磁約束帶電粒子的磁場分布叫磁瓶（magnetic bottle）,意味將高溫等離子體裝入瓶中。

圖1.仿星器

然而，磁鏡裝置依然有一部分其軌道與磁力線夾角小於某值的帶電粒子會逃逸出去，為了避免帶電粒子的流失，曾經把磁力線連同等離子體彎曲連接成環形；後又改進成像扭成8字形的麻花樣圓環形磁力線管，稱為仿星器；實驗上最有成效的磁約束裝置是托卡馬克裝置，又稱環流器。

圖2.托卡馬卡裝置

托卡馬克（Tokamak)是一環形裝置，通過約束電磁波驅動，創造氘氚實現聚變的環境和超高溫。並實現人類對聚變反應的控制。它的名字來源於俄文環形toroidal，真空室kamera，磁鐵magnet和線圈kotushka的縮寫。它是由蘇聯庫爾卡托夫研究所的阿奇莫維齊等發明的。1968 年，在新西伯利亞召開的國際聚變大會上，蘇聯的托卡馬克T3 等離子體溫度遠高於環向箍縮裝置和仿星器裝置，該實驗結果之後被英國科學家所證實，隨之各國都掀起了托卡馬克研究熱潮。我國的核聚變研究可以追溯到1958 年全國電工會議召開時期，先後發展了脈衝磁鏡、角向箍縮裝置、仿星器、超導磁鏡和托卡馬克。托卡馬克裝置被認為是人類未來最有實用價值的可控聚變裝置，除此之外，仿星器也得到世界不少科學家的研究興趣。此種裝置在二十世紀五六十年代的可控核聚變研究中十分普遍，多個國家都建成一些研究裝置。目前，德國馬克思普朗克等離子體研究所建造了世界最大「仿星器」核聚變實驗裝置W7-X。

實現可控熱核聚變另外方案還有慣性約束核聚變，它是採用多路（如192路）高功率激光脈衝激光會聚照射到真空室中球形氘氚靶丸上，使之加熱，表面消融為高溫等離子體，高速噴射出來產生強大的反彈力，擠壓靶心使之溫度和密度急劇升高而發生聚變。也有提出利用電子束或離子束聚焦達到聚變的方案。以及還提出靜電約束的核聚變裝置。

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