用“磁瓶”約束等離子體

2017/1/16 13:42:59

假想有這樣一個“瓶子反應器”：假定它可以耐一億攝氏度以上的高溫，能承受數千萬個大氣壓力，并假定有一種加熱用的“火”可使“瓶子反應器”從室溫逐步上升到幾千萬攝氏度的高溫。“瓶子”里充入氘和氚混合氣體后，用這種“火”慢慢加熱。當溫度上升到1000萬攝氏度，氘、氚核的平均飛行速度達到每秒300公里，此時等離子體的壓力為1000萬個大氣壓以上。在這種條件下，通過氘和氚核相互碰撞，會有一部分核發生聚變反應。隨著溫度的繼續升高，反應器內的聚變速度也將增加。

當“瓶子”的溫度達到某一個界限，即釋能的速度超過輻射能量損失的速度時，我們把加熱“瓶子”用的“火”拿走，核聚變反應也能自持下去。這個溫度界限，就叫“臨界點火溫度”。

在普通人工所能建造的反應器規模下，氘-氚聚變反應的臨界點火溫度為數千萬到一億攝氏度；而氘-氘反應的臨界點火溫度為一億至數億攝氏度。

當然，不可能有任何實際的固體容器能做這種“瓶子”，因為溫度在4萬攝氏度以上時，現有的任何耐火材料都會熔化。

為此，科學家們想出了一種非常奇妙的方法：用磁場來約束等離子體，或者說，把等離子體放在一種特殊的“磁瓶”里。“磁瓶”是一種看不見的用磁場構成的“瓶子”，由于磁場不是由分子、原子構成的實體，所以沒有什么熔化和溫度高低的問題。

“托卡馬克”裝置脫穎而出

然而，事情并沒有這么簡單：磁場能約束等離子體，而等離子體反過來會削弱磁場。當等離子體的密度增加到一定的程度，外磁場會被完全抵消。某種強度的磁場只能約束一定密度和一定溫度的等離子體。要想建一個“磁瓶”，讓核聚變穩定在里面發生，又是談何容易。

科學家們想出了各種各樣的方案來建這個“磁瓶”，而一種叫做托卡馬克的裝置，在這些方案中脫穎而出。

上世紀50年代初，蘇聯物理學家塔姆薩哈羅夫提出，在環形等離子體中通過大電流感應產生的極向磁場跟很強的環向磁場結合起來，便可能實現等離子體平衡位形。莫斯科的庫爾恰托夫研究所在阿齊莫維奇領導下開展了此項實驗研究。他們將這種裝置叫做托卡馬克（Tokamak）。這個詞是由俄語“環形、真空室、磁、線圈”的詞頭組成。托卡馬克的中央是一個環形的真空室，外面纏繞著線圈。在通電的時候，托卡馬克的內部會產生巨大的螺旋形磁場，將其中的等離子體加熱到很高的溫度，以達到核聚變的目的。

1968年，在蘇聯諾沃西比爾斯克召開的等離子體物理和受控核聚變研究第三屆國際會議上，阿齊莫維奇發表的在托卡馬克裝置上取得的最新實驗結果引起了轟動。于是，世界范圍內便很快掀起了研究托卡馬克的熱潮。