我们已经写了关于从核裂变获得能量的领域中出乎意料和非凡的想法和发展的文章。还有关于核反应堆出问题时该怎么办。众所周知，自由胜于非自由，综合胜于衰败。这正是一百多年前科学家采取的驯服热核聚变第一步的想法。在本文中，我们将简要介绍什么是热核聚变，科学发展处于什么阶段以及何时需要引入一种新的能源生产方法。毕竟，这正是人类需要他的原因。
盯着太阳：热核聚变的发现历史
随着科学的发展，人类开始怀疑太阳是如何工作的，为什么它不出去并继续散发出热和光。大约在一百年前的上个世纪二十年代，英国科学家亚瑟·斯坦利·爱丁顿（Arthur Stanley Eddington）提出了质子-质子循环的概念，即一组热核反应，在此期间，恒星中的氢变成氦。这种反应伴随着巨大能量的释放，只需在晴天外出即可轻松感受到。
后来，在30年代，由澳大利亚人马克·奥利芬特（Mark Olyphant）领导的剑桥大学科学家通过一系列实验，发现了参与这些反应的氦3和tri的核子（构成原子核的质子和中子的通用名称），以及与德国的对应物汉斯·贝特（Hans Bethe）因其对核反应理论的贡献，尤其是他对恒星能量源的发现而获得诺贝尔物理学奖。早在1946年，乔治·帕吉特·汤姆森爵士和摩西·布莱克曼爵士就描述了Z捏的想法并申请了专利，该想法是使用磁场或``磁阱''的等离子约束系统，这为进一步实验创造了基础，以制造首批可控热核聚变设备。
实验室磁阱，照片：Sandpiper / Wikimedia Commons
无限力量：实现的优势，劣势和障碍
让我们从历史转向一般理论。可控的热核聚变是从较轻的原子核中获得较重原子核的过程，其目的（理论上）是利用释放的能量来发电。从本质上讲，它与传统核电工程中使用的裂变反应相反。基本上，氘和tri用于热核聚变反应（所谓的DT反应），尽管在氘核（DD）和同位素的其他组合之间也可以使用具有氘和氦3的变体。
由于“库仑势垒”，即原子核之间的静电排斥力，原子核本身不易相互作用。为了克服它并在地面条件下开始反应，必须将物质加热到足够高的温度，在这种情况下，我们所说的是亿万度。正是从这个过程中，热核聚变才得名。在这种情况下，氘和tri的组合需要“最低”温度才能开始反应（相同的温度为1亿度），因此最常用于实验装置。
DT融合反应。资料来源：东芝能源系统与解决方案公司
同样，在反应过程中，会出现大量中子，但我们将在下面稍稍讨论它们的含义，首先我们将尝试解释为什么该方法的商业应用在过去70年中普遍激发了人类的思想。因此，受控热核聚变的优势在于：
- 同位素对于反应的可利用性。氘很容易从海水中获得，海水的储量在地球上绰绰有余。t在自然界中不会出现，因为它的半衰期只有12.3年，但是它是从锂6和核反应堆的重水中获得的，我们不准备在未来几年内放弃。
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此外，在热核聚变过程中，不会释放出可用于以后制造“肮脏”武器的物质。
Tokamak JET，照片：EFDA JET / Wikimedia Commons
但是，为什么为什么上世纪中叶开发的受控热核聚变的原理尚未在实践中实施或仅作为尚未开始发电的实验装置实现？让我们看看这个过程的缺点和局限性。
让我们先回到中子。在使用DT进行反应的过程中，形成了中子通量，其轰击了反应堆安全壳的壁。结果，我们正在处理所谓的``感应''辐射，这种辐射极大地增加了设备的维护难度，并且很有可能会导致需要定期更换设备，因为随着时间的流逝，由于中子轰击，材料不仅具有放射性，而且变得易碎。为了解决该问题，建议使用对辐射不敏感的材料，该材料将持续更长的时间，但是其使用将增加建造热核聚变电厂的本已巨大的成本。还考虑使用其他活性物质来获得“无中子”反应，但上面我们已经讨论了它们对密度和反应温度的要求。
即使在目前的技术发展水平上，科学家和工程师也无法确保加热和使反应堆中的物质达到等离子体状态，然后将其保持在该状态的能量消耗，尽管热量不断损失（以及冷却系统），电磁体和其他子系统）下降到低于反应过程中释放的能量。例如，英国JET托卡马克的进出能量之比仅为67％，即0.67Q。Q是表示该系统消耗和接收的能量之比的指标，因此聚变反应被认为是自持的，它必须至少等于5，并且必须更高才能产生有用的容量。今天，世界上没有任何具有这种价值的反应堆。
当然，最后一个问题是投资回报和成本。为了精确模仿太阳内部的反应，仅带tri和氘并对其进行常规匹配是不够的。热核聚变反应堆的设计极其复杂，庞大且昂贵，它具有放置大型冷却系统，大量各种类型的电磁体甚至自备电厂的空间。
据估计，尚未完成的国际热核实验堆实验托卡马克（见下文）的建设成本可能超过200亿美元。同时，该反应堆通常不设计为发电，也就是说，国际热核实验堆运行的唯一收益将是科学家和实验数据共同工作的经验。
实用魔术：建筑的主要类型及其发展的里程碑
常规地，用于受控热核聚变的装置可以分为四种类型：托卡马克，恒星器，反射镜阱和脉冲系统。我们以他们的例子为例，考虑未来的发展可能会导致使用热核聚变发电的想法的发展，以及``死胡同''的分支的发展，这些分支在未来几年内（或永远不会）出于一个或另一个原因不会超出理论和实验的框架。 ...
托卡马克是“带电磁线圈的环形室”的缩写，该室是反应器的主要元素，用于限制等离子体。在这种情况下，缠绕在反应器腔室上的电磁线圈用于产生一个特殊的场，以防止等离子体接触其壁，这是现代绝热材料无法承受的。同时，电流也流过等离子体本身，该电流既加热等离子体又产生极向磁场。在现代条件下，该电场的存在时间不能超过几秒钟，如果没有它，等离子体将失去稳定性，因此，谈论使用托卡马克连续发电一直为时过早。尽管可以使用微波辐射或将中性氘/ tri原子引入等离子体来将电流维持更长的时间。
托卡马克KSTAR，韩国，照片：Michel Maccagnan / Wikimedia Commons
托卡马克的构想最早是在上个世纪50年代的苏联提出的，第一个这样的反应堆是1954年在库尔恰托夫研究所建造的。长期以来，托卡马克一直是纯粹的苏联发展，但在1970年代，英国科学家证实了在苏联T-3托卡马克上实现的等离子加热的创纪录结果，并对世界各地的技术产生了兴趣。
如今，托卡马克已被认为是最有前途的发展，在世界范围内，托卡马克的数量已经超过了其他类型的装置的数量。在这一领域的成就中，值得注意的是中国EAST（在俄罗斯联邦的支持下建造的实验性超导托卡马克）在2018年达到了等离子温度1亿度，欧洲JET（联合欧洲Toru）位于英国，被认为是最大的托卡马克以及上面已经提到的ITER，我们将对其进行详细介绍。
ITER托卡马克电路。来源：橡树岭国家实验室-ITER托卡马克和植物系统（2016）/ Wikimedia Commons
1985年，在罗纳德·里根（Ronald Reagan）和米哈伊尔·戈尔巴乔夫（Mikhail Gorbachev）之间的一次会议上，讨论了建造ITER（国际热核实验反应堆，国际热核实验反应堆）的想法，但真正的建设始于2010年。许多国家参与了该反应堆的工作，包括日本，欧盟国家，俄罗斯，美国，韩国，中国和印度。联合项目的结果将是一个重达23,000吨的巨型结构，它将把JET从地球上最大的托卡马克的基座上移走，理论上可以将Q值提高到30。尽管ITER的创造者并没有设定实现发电的目标-托卡马克的任务是最终证明在这一领域使用热核聚变的可能性，并为DEMO（第一个具有“正”平衡的托卡马克）铺平道路（这是反应堆的缩写名称从拉丁语翻译的方式），直到21世纪中叶才开始。
在ITER项目中，日本负责开发和生产最重要的元件之一-超导线圈，超导线圈是在反应堆腔室周围形成磁场所必需的。具体来说，东芝正在开发一个重16.5米的巨型环形线圈，重约300吨。同时，必须遵守每个零件的非常严格的尺寸公差-只有几毫米-因此，在日本实验托卡马克，JT-60和JT-60SA的工作过程中发明的技术和方法变得很有帮助。
恒星（来自lat stella-“ star”）之所以得名，是因为反应器中的过程与恒星内部发生的过程相似。第一个原型是1951年在美国发明家莱曼·斯皮策（Lyman Spitzer）的领导下制造的。恒星器和托卡马克之间的主要区别在于磁阱的设计：在恒星器中，仅使用外部线圈将等离子体限制在腔室中，从而产生围绕腔室旋转的力线。该设计理论上允许以连续模式使用磁阱。在恒星器中，就像在托卡马克中一样，几乎总是使用氘和tri的混合物，并将其引入腔室的真空容器中。现代设计已经放弃了圆环形的腔室，转而使用计算机模拟创建的复杂模型。他们的目标是最大程度地提高等离子体遏制效率。
Wendelstein 7-X. : Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Tino Schulz / Wikimedia Commons
尽管可能会持续暴露于等离子体中，并且腔室的设计有所修改，但恒星器并不像托卡马克那样普遍。这主要是由于设计的复杂性更高以及在现代条件下效率较低。 Wendelstein 7-X于2015年在德国格赖夫斯瓦尔德（Greifswald）建造，成为世界上最大的恒星器，也是这一发展的一种“表象”。根据科学家的计算，他必须将电磁体连续暴露于等离子体的时间延长至30分钟，以便证明使用恒星器长期发电的可能性。此外，在2018年的实验过程中，等离子体温度仅升高到40,000摄氏度，并且操作时间达到了100秒。下次测试计划于2021年进行。
-这种受控的热核聚变装置在很大程度上仍是理论上的发展。甚至于1960年的院士安德烈·萨哈罗夫（Andrei Sakharov）证明，不使用磁阱也可以进行热核聚变，这与经典方法相反。在这种情况下，我们不是在谈论超稀疏的等离子体，这种电磁场会长时间保持原状，而是在谈论其超稠密（且寿命极短）的形式。为了在汽油发动机中仅在热核反应水平上实现一种类似于燃料爆炸的模拟，提出了在脉冲系统中使用冷冻的DT成分引爆微型“目标”的方法。这种带有周期性爆炸的系统可以提供几乎连续的热核反应链，从而产生能量，（理论上）不会损坏反应堆外壳。
NIF/ : Lawrence Livermore National Laboratory, Lawrence Livermore National Security, LLC, and the Department of Energy — National Ignition Facility / Wikimedia Commons
在该领域的现有发展中，值得一提的是MagLIF项目和加州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的NIF（国家点火设施，或激光热核反应国家综合设施）。尽管这种想法具有持续的潜力，但由于实际成果很少，美国政府计划在2012年终止对该计划的资助。直到今天，实验仍在继续，但是``目标''本身的复杂性以及定期将它们运送到燃烧室的需求，然后在爆炸中发生了相当于一吨TNT的爆炸，就实用性而言，这种类型的安装远远落后于托卡马克和恒星。
镜陷阱-1955年，在同一劳伦斯·利弗莫尔国家实验室中进行了使用“开放式”磁阱的第一个实验。诱捕器背后的想法不是使用封闭的圆环，而是使用在两个相对端敞开的细长磁性容器。在这种情况下，“新”等离子体必须加热到所需的温度，释放能量，并通过侧孔离开（或者被磁场反射回来，就像从镜子里反射出来一样-因此得名）。由于这种形式和机制，它们的成本比竞争设计的成本低得多，因此一段时间以来，镜陷阱似乎是一个极有希望的发展。但是随着时间的流逝，实验人员面临着血浆不稳定的问题，在开发之初就对此知之甚少，这导致了问题，并且无法达到热核聚变所需的温度。随后，对设计进行了数次更改，但是，例如，雄心勃勃的美国MFTF安装甚至在测试开始之前就已关闭，因为最终的托卡马克变得更简单，功能更强大且更便宜。
在这种有趣的发展中，值得一提的是新西伯利亚的俄罗斯GDL（气体捕集阱），它是在50年代苏联计划的基础上创建的，“开放式”捕集阱为“布德镜腔”。截至2018年，来自SB RAS新西伯利亚核物理研究所的科学家成功达到1000万度的温度，并在2020年获得了俄罗斯联邦教育和科学部的赠款，用于购买新设备以继续进行实验。
美丽的明天：不是结论
在处理热核聚变问题的科学家中，有一个笑话说：“离成功的研究和反应堆的商业化应用还剩下30年的时间，”他们用这种方法回答了十几年（稳定性！）。然而，技术将继续发展，人类将寻找“抑制”热核聚变的方法，并创建一个微型人造太阳，该太阳将满足我们的电力需求，而不会重覆切尔诺贝利灾难，也不会对地球生态造成永久损害。这项研究可以直接受到ITER等事态发展的影响，我们很高兴日本和东芝直接参与其中。接下来会发生什么……我们将在30年后看到。