四、约束核聚变

苛刻的受控核聚变条件

目前主要的核聚变类型有

D+D→T+P

D+D→3He+n

D+T→4He +n

D+3He→4He+p

3He+3He→4He+2p

其中：D=氘，T=氚，P=质子，n=中子

在这些聚变中，氘—氚聚变是相对容易实现的一种核聚变。以此来讨论要实现受控核聚变必须具备以下物理条件。

①超高温度：氘和氚的混合材料的热核聚变反应温度在1亿度以上。在这种温度下，氘氚混合气体已完全电离，成为带正电的氘、氚原子核和带负电的自由电子混合而成的等离子体。

②等离子体约束：将上述等离子体约束起来，才能增大聚变反应的几率，相遇的概率才够大，不至于失散。

③劳森判据：简而言之，就是氘、氚原子核和自由电子混合的等离子如果要发生持续受控核聚变，在温度、粒子数密度和具体约束时间上需要满足的定量关系。这是从能量角度得出的，只有核反应产生的能量大于维持系统反应基本所需能量时，持续的核聚变才可能发生。

磁约束实现受控核聚变

铀矿石(www.daowen.com)

磁约束就是通过磁场来约束参与反应的混合等离子体。

在长圆柱体空间里的等离子因为带电荷受洛伦兹力而做圆周运动。磁场中所有的等离子体就好像串绕在一条一条磁力线上，沿着磁力线做半径微小的螺旋形运动。这样就实现了对这些等离子体的约束，直到粒子之间的碰撞使它们离开各自原来串绕的磁力线。另一方面，作螺旋形运动的带电粒子就是一个微小的螺旋形的电流。

这种磁约束可以将原来是自由等离子体状态的体积缩小到原来的1/106。但这种约束作用只表现在垂直于磁场的方向；在平行于磁场的方向，等离子体仍没有得到约束，在磁场圆筒方向上要求长度足够长。这样会引起等离子体沿圆筒真空室两端逸出的损失。

目前，磁约束聚变装置类型有托卡马克、球形托卡马克、仿星器、磁镜、箍缩装置、球马克、内环装置等。托卡马克是由前苏联库尔恰托夫原子能研究所的阿尔齐莫雄奇等人首先提出来的，它的结构最简单，在其上所获得的等离子体参数是到目前为止最好的，也是有可能最先建成的热核聚变反应堆。

激光惯性约束实现受控核聚变

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，就像喷气式飞机气体往后喷而推动飞机向前飞一样，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时，小球内气体便发生爆炸，并产生大量热能。这种爆炸过程时间很短，只有几个皮秒。如每秒钟发生三四次这样的爆炸并且连续不断地进行下去，所释放出的能量就相当于百万个千瓦级的发电站。实质上，这种热核反应就相当于微型氢弹爆炸。

在美国劳伦斯—利弗莫尔实验室的国家点火设施中，科学家们正在试验用激光束来诱发聚变。

NIF长215米，宽120米，大约同古罗马圆形竞技场一样大，它位于美国加利福尼亚州劳伦斯—利弗莫尔国家实验室。

NIF将192条激光束集中于一个花生米大小的、装有重氢燃料的目标上。每束激光发射出持续大约十亿分之三秒、蕴涵180万焦耳能量的脉冲紫外光——这些能量是美国所有电站产生的电能的500倍还多。当这些脉冲撞击到目标反应室上，它们将产生X光。这些X光会集中于位于反应室中心装满重氢燃料的一个塑料封壳上。NIF研究小组估计，X光将把燃料加热到1亿度，并施加足够的压力使重氢核发生聚变反应。它释放的能量将是输入能量的15倍还多。但是，人们希望NIF做更多的工作。它的激光还能够模拟中子星、行星内核、超新星和核武器中存在的巨大压力、灼热高温和庞大磁场。加利福尼亚州将成为物理学家检验他们有关宇宙中最极端情况的理论的地方。

核潜艇

利弗莫尔有850名科学家和工程师，另外大约有100名物理学家在那里设计实验。192束激光中有4束已经工作了24个月，并已经发射出世界上最强的激光。NIF的工程自1994年开工以来延期了很多次，但它最终的目标是实现聚变反应，并达到平衡点。

中国的激光热核点火——“神光”计划在不断地研究探索中。中国科学院和中国工程物理研究院从20世纪80年代开始联合攻关，承担了“神光”系列激光系统的研制和惯性约束核聚变物理实验，取得了举世瞩目的成就。

惯性约束涉及很多等离子体动力学问题，如激波加热问题。在爆聚过程中，对激光束的输出功率进行调制，使等离子体产生一系列激波，并在所要求的时间内同时收缩到中心，则可使密度增大1000倍，理论上要达到这种效果，大约需要7个激波。另外由于爆聚过程相当于轻流体驱动重流体做加速运动，会产生不稳定性，其后果不仅使爆聚失去对称性，影响压缩比，而且会产生强烈混合，降低燃烧率。这是实现激光核聚变的主要障碍之一。