在托卡馬克裝置上的核聚變

2017/1/17 15:08:45

1991年11月9日，歐共體的JET托卡馬克裝置成功地實現了核聚變史上第一次氘-氚運行實驗，在氘氚6比1的混合燃料中，等離子體溫度達到3億攝氏度，核聚變反應持續了2秒鐘，獲得的聚變輸出功率為0.17萬千瓦，能量增益因子Q（即輸出能量與輸入能量之比，Q大于1時，有增益能量輸出）值達0.11-0.12。

1993年12月9日和10日，美國在TFTR裝置上使用氘、氚各50%的混合燃料，使溫度達到3億至4億攝氏度，兩次實驗釋放的聚變能分別為0.3萬千瓦和0.56萬千瓦，能量增益因子Q值達0.28。

1997年9月22日，聯合歐洲環JET又創造輸出功率為1.29萬千瓦的世界紀錄，能量增益因子Q值達0.60，持續時間2秒。

1997年12月，日本宣布，在JT-60上成功進行了氘-氘反應實驗，換算到氘-氚反應，Q值可以達到1.00。后來，Q值又超過了1.25，首次實現輸出能量大于輸入能量。

近年來，我國在受控核聚變研究上也取得長足進展。2016年11月2日消息，中國科學院合肥物質科學研究院等離子體所承擔的國家大科學工程“人造太陽”實驗裝置EAST在第11輪物理實驗中再獲重大突破，獲得超過60秒的穩態高約束模等離子體放電。EAST因此成為世界首個實現穩態高約束模運行持續時間達到分鐘量級的托卡馬克核聚變實驗裝置。

ITER計劃值得期待

1985年，時任美國總統里根和蘇聯領導人戈爾巴喬夫，在一次首腦會議上倡議開展一個核聚變研究的國際合作計劃。1987年春，國際原子能機構總干事邀請歐共體、日本、美國和加拿大、蘇聯的代表在維也納開會，討論加強核聚變研究的國際合作問題，并達成了協議，四方合作設計建造國際熱核實驗堆。

1998年，美國退出ITER計劃。我國從2003年正式加入ITER計劃談判。同期，美國重返ITER計劃。直到2007年，由中、歐、日、韓、俄、美6方組成的ITER國際組織正式成立（印度后來加入）。

ITER設計總聚變功率將達到50萬千瓦，是一個電站規模的實驗反應堆。其作用和任務是，用具有電站規模的實驗堆證明氘氚等離子體的受控點火和持續燃燒，驗證聚變反應堆系統的工程可行性，綜合測試聚變發電所需的高熱流與核部件，實現穩態運行。

ITER場址設在法國南部埃克斯以北的卡達哈什。2008年，ITER裝置進入實地建造階段。它占地180公頃，共由39棟建筑組成，實驗堆主體直徑28米，高30米，聚變功率相當于50萬千瓦電站的核反應堆。按當前計劃，ITER裝置預計2019年基本建成，預計2027年開展氘氚聚變實驗。

國際核聚變界對ITER計劃及其后聚變能源發展比較普遍的看法是，建造和運行ITER的科學和工程技術基礎已經具備；再經過示范堆、商業聚變核電站（商用堆）兩個階段，聚變能商業化將在本世紀中葉或者稍晚實現。