一则科技新闻引发的讨论

今天看到微信公众号的一则报道，巧合的是昨天还想了想托卡马克线圈结构的作用，联系到最近回形针的视频，有必要了解可控核聚变技术目前的发展问题。实际上可控核聚变涉及的问题主要在工程技术和材料上的，关于它的理论在工程应用上主要是经典电磁学加狭义相对论。基本上实现的方式就三种，引力约束大家天天见，惯性约束就是用激光的光子动量把轻核硬挤在一起发生聚变，一般激光用作可控核聚变的点火装置，最后就是最机械朋克也最有希望的磁约束，用电磁线圈生成一个电磁紧箍咒。作为中国可控核聚变设备的首选磁约束构型，托卡马克装置主要的构造是三种磁控线圈和一个真空腔室。

EAST东方超环的红色等离子体。图源WiKi

三种线圈包括生成环形磁场（安培环路定理）绕腔室的线圈、生成极化磁场以及等离子电流感应电动势的感应线圈（类似于变压器的结构），还有就是控制磁场不均匀导致的粒子漂移和高温粒子相互作用下扩散作用的平行环绕腔室的线圈。第一种线圈一般是超导材料构成，因为需要生成非常强的磁场才能把上亿度高温约束到环形的腔室中；感应线圈兼具控制腔室磁力线分布和加热击穿等离子体的作用，产生的是变化的磁场；平行腔室的线圈对产生的磁场强度要求最小。

环形磁场和极化磁场叠加形成螺旋磁场。图源WiKi

公众号这个文章里面提到关于可控核聚变实现的另一个技术难点，就是聚变过程产生中子的问题，这东西不带电，没法进行磁约束，普通材料被密集中子轰击只会秒变豆腐渣，一般用和中子不亲和的铪锆等元素构造的腔室可以勉强与之一战。

托卡马克的线圈和环形腔室的结构。图源WiKi

这种构造决定了托卡马克很难实现小型化。另一种可控核聚变的实现装置，所谓仿星器，在小型化上就非常有优势，只不过扎花一样的结构决定了在工程实施上的难度，而且控制上的要求更为严格，仿星器不需要感应线圈产生等离子电流，在安全要素上要比托卡马克好很多，但是技术问题相对托卡马克还是太多。

可控核聚变原料最为重要的就是氘，这东西地球到处都是，但是纯氘的核聚变温度要求更高，所以才会有氘氚混合型和氘氦3型，氚丰度就相对更稀少，它是一种放射性元素，一般核电站压水堆轻水堆会产生，这次日本倾倒的核废水主要就是氚超标。可控核聚变能实现能效比q＞1，就能抵消点火运行聚变装置消耗的能量，这个ITER预想是做到q=10的程度，不过拖拖踏踏，情况似乎并不乐观。想象一下，在托卡马克巨大的真空腔室中漂浮环绕着比太阳还要耀眼热烈的等离子电浆，一旦启动便可像永动机一样运转，集热器可以源源不断地贪婪地在这电光火石中攫取自然无穷的能量，那一定是人类工业史以来最伟大的杰作。民用可控核聚变依赖室温超导体制造强磁场，很多新型的聚变装置也都需要更好的高温超导材料，所以室温超导是凝聚态材料领域的皇冠，人类命运之所系，室温超导实现之日，才是真正意义上的普罗米修斯盗取天火之开端。

可控核聚变能不能开启能源革命关乎下一百年人类的命运，离我们并不遥远，所以这事以后热度会越来越高。