聚變物理與等離子體物理
受控熱核聚變研究
受控熱核聚變研究旨在探索新能源，因此它是當代倍受世人矚目的重要科研項目之一。在早期，這一課題的誕生經曆了幾十年的漫長時間。
1.早期核聚變研究與勞孫條件
19世紀末，放射性發現之後，太陽能的來源很快地被揭開。這一發現應首先歸功於英國化學家和物理學家阿斯頓（Aston，FrancisWilliam1877～1945）。當時，阿斯頓正在劍橋卡文迪許實驗室，利用他所創製的攝譜儀從事同位素的研究。實驗中他發現，氦-4質量比組成氦的4個氫原子質量之和小大約1%左右。幾乎在同一時期，盧瑟福也提出，能量足夠大的輕核碰撞後，可能發生聚變反應。1929年英國的阿特金森（deAtkinson，R.）和奧地利的奧特斯曼（Houtersman，F.G.）聯合撰文，證明氫原子聚變為氦的可能性，並認為太陽上進行的就是這種輕核聚變反應。在美國化學家尤裏（Urey，HarroldClayton1893～1981）發現氫同位素氘不久，1934年，澳大利亞物理學家奧利芬特（Oliphant，MarcusLaurenceElwin1901～）用氘轟擊氘，生成一種具有放射性的新同位素氚，實現了第一個D-D核聚變反應。1942年，美國普渡大學的施萊伯（Schreiber）和金（King）又首次實現了D-T核反應。二戰期間，美國洛斯阿拉莫斯實驗室在研製原子彈的同時，也進行了早期核聚變反應的係統研究。二戰結束後，英國與前蘇聯也秘密地開展了受控核聚變研究工作。核聚變是誘人的，英國天體物理學家愛丁頓（Eddington，SirArthurStanley1882～1944）早在1920年就預言，”有一天，人類將設法把核能釋放出來，為人類造福。”然而，實現這一目標卻困難重重。僅以D-D反應為例，氘核帶正電，發生聚變反應必須克服庫侖斥力，使兩核接近到核子間距離，即10-13cm，必須具備10keV以上的能量。如果用加速器加速氘核，再使其轟擊含氘的固體靶，加速氘核的絕大部分能量將損失在與電子碰撞的散射之中。還有人提出用兩束高能氘核對撞實現聚變。這種想法很快被證明是行不通的，因為氘核在束中的平均自由程很大，兩束氘核幾乎是完全透明的。要使對撞發生，氘核束的密度必須很高，然而密度極高的氘核束很難獲得，即使成功地製備了這種高密度氘核束，在氘核的互撞中，不可避免的多次庫侖散射，將使偏轉角很快地累計達到90°，而使氘核偏轉離開原有的束流散失殆盡。
在這種情況下，人們很自然地想到了無規則的熱運動。如果設法將一團氘核約束在一起，並加熱使其到達足夠的溫度，核間頻繁地碰撞，可望有核聚變發生。事實上，即使在聚變反應進行過程中，等離子體的能量也會通過多種途徑不斷散失。因此，如果熱聚變發生，並且維持持續進行，不僅應保持高溫等離子體的能量足夠高，還要維持能量平衡，以達到聚變的自持條件。1957年，英國的勞孫（Lawson，J.D）計算了高溫聚變等離子體能量平衡關係。他的考慮如下，若等離子體的密度為n，在溫度為T時，如果不從外部獲得能量，由於各種能量損失，等離子體最終將從高溫降到室溫，所維持的時間，稱為能量約束時間τ。若維持能量平衡，可使聚變堆輸出功率，經過效率為η的熱功轉變係統，轉變為電能回授給等離子體，用來維持等離子體工作，並補償軔致輻射能量損失。如果維持能量的得失得當，聚變堆即可持續工作。以氘氚各半的等離子體為例，單位體積D-T反應的聚變功率為
E為每次反應釋放的能量。
其中第一項與第二項分別為軔致輻射與其它各途徑的損失功率。由此，勞孫得到了等離子體釋放的總功率為
根據勞孫的分析，為了把單位時間等離子體釋放的總功率變為電能，用來加熱等離子體，並補充軔致輻射損失，必須有ηP=P損。由此，勞孫得到如下結果：
這一結果稱為勞孫條件，它表明，等離子體達到聚變溫度後，為了實現聚變反應能量得失相當，對等離子體密度n、約束時間τ都應有一定的要求。
實現勞孫條件隻表明聚變實現能量得失相當的最低情況，並沒有多餘的功率供輸出使用。即使如此，這一條件仍然難以實現。概括起來，這個條件應滿足兩點，這就是極高的溫度和充分長的約束時間。例如，D-T反應時，Tc＞5keV，nτ≥6×1013cm-3·s；而對D-D反應的要求就更苛刻，Tc＞100keV，nτ=1016cm-3·s，這些數據稱為勞孫判據。盡管實現這一目標，僅能達到聚變反應的收支平衡，它們仍被看作為聚變研究第一階段的目標，因為隻有實現了這一目標，才意味著受控熱核聚變反應在科學上的可行性。
勞孫判據的得出，標誌著受控熱核聚變理論研究的重要進展。它向人們指出，實現受控熱核聚變反應的兩個最基本問題就是：等離子體的加熱和等離子體的約束。此外，勞孫判據中的nτ值與等離子體的Tc的乘積nτTc稱為聚變品質因素，它已被列作判斷聚變研究水平高低的標誌。
2．等離子體磁約束
在自然界中的等離子體，約束常是天然具有的。例如太陽和其它恒星，憑借自身巨大的質量，利用引力即可把等離子體約束在一起。地球的引力僅是太陽引力的33萬分之一，依靠如此微弱的引力，不可能約束住高溫等離子體。人們很自然地想到了磁約束的方法。磁場對等離子體的作用包括三種，即帶電粒子所受磁場的洛侖茲力、磁場對等離子體束的磁應力以及等離子體電流所受磁場的箍縮力。洛侖茲力可以把帶電粒子約束在磁力線的周圍，使其在垂直磁場的方向上受到橫向約束；磁應力來自磁場的不均勻性，使等離子體整體受到指向內部的作用，從而抵消等離子體的熱膨脹；而箍縮力將使等離子體電流束沿徑向被箍縮，從而受到約束。磁約束裝置的研製關鍵在於尋找到合適的磁場位形。
(1)仿星器、磁鏡
美國天文學家和物理學家斯必澤（Spitzer，LymarJr.1914～）是早期磁約束裝置研究中較為成功的一位。1935年，斯必澤畢業於耶魯大學，曾在著名天文學教授愛丁頓及羅素（Rus-sell，HeryNorris1877～1957）指導下攻讀研究生學位，1938年獲哲學博士學位。畢業後在耶魯大學工作，後到普林斯頓大學擔任天文係係主任。斯必澤早期研究的課題是弱磁場下，宇宙塵形成新恒星的過程。這項研究為他以後的成功奠定了基礎。50年代初，隨著早期核聚變研究的熱潮，他迅速地找準了研究方向，即研究高溫等離子體的磁約束。最初，他設想用磁場把等離子體約束在一個圓柱形空間裏。為解決等離子體在端點的泄漏，他設想把兩端連接成圓環狀。然而激磁線圈產生的環形磁場內側強，外側弱，致使正帶電粒子向下漂移，電子向上漂移，正負電荷的分離所產生的電場與磁場共同作用的結果，把等離子體向外推，因而不能形成穩定的約束。為了克服正負電粒子的分離，斯必澤巧妙地把圓環狀空間扭成8字，於1951年4月提出了一種稱為仿星器（Stellarator）的磁約束裝置。等離子體沿8字形繞行一圈，總的漂移被抵消。同年7月，他得到5萬美元的資助，開始了這項理論研究工作。1952年建成第一台小型實驗用仿星器Model-A，以後又陸續建成規模更大一些的Model-B和Model-C。60年代以後，由於實驗結果不甚理想而進展緩慢，美國基本上停止了仿星器的研究。然而英國、西德、前蘇聯和日本卻堅持了下來，並取得了較好的結果。例如80年代英國在CLEO仿星器上進行低電流歐姆加熱實驗，能量約束時間為5ms，歐姆加熱輸入功率為12～15kW；西德的WⅦA仿星器的大半徑達到2m，磁場的螺旋變換角可以連續調節。實驗發現，用這種仿星器加熱，等離子體的溫度與密度分布都優於同樣規模的托卡馬克裝置。他們在該仿星器上還成功地進行了中性注入實驗。
磁鏡屬於開端係統，它用中間弱、兩端強的磁場位形約束等離子體，具有結構簡單、β值高、能穩態運行等優點。提出這一方案的是剛從斯坦福大學獲得博士學位的波斯特（S.Post）。1952年，他從斯坦福大學畢業後，應聘到勞侖斯-利弗莫爾輻射實驗室從事同步輻射研究。應該實驗室熱核聚變研究課題負責人約克（H.York）的邀請，參與了核聚變研究。由於波特在微波與等離子體方麵的知識背景，使他很快地從地球磁場俘獲帶電粒子中受到啟發。地磁具有中間弱、兩端強的磁場位形，被俘獲的帶電粒子在兩極間來回反射，稱為磁鏡效應。波斯特把這一效應用於解決直線型聚變裝置的等離子體泄漏問題，於參加工作的當年，就建成了第一台人工磁鏡裝置。1976年，該實驗室的2ⅦB磁鏡裝置的等離子體溫度已達到13keV，等離子體密度達到2×1014cm-3。在采用中性注入技術時，也未出現約束不穩定性問題，所需要解決的是，由於磁力線在裝置內不閉合而帶來的終端損失問題。有人提出終端能量的再循環使用，以及在端頭加“塞子”的堵漏設想。基於這一想法，已產生了反向場磁鏡、串聯磁鏡及環鍵磁鏡等新設計。80年代初，勞侖斯-利弗莫爾實驗室的大型串聯磁鏡已投入運行。它的中部磁場長5m，中心磁場2kG，等離子體密度1013cm-3，等離子體溫度10keV，加熱束流持續時間25ms，端部磁場中心場強10kG，端部磁鏡用5MW的中性束注入加熱。從發展趨勢看，磁鏡有可能是托卡馬克的競爭對手，成為一種有前途的磁約束裝置。
（2）托卡馬克
早在50年代初，前蘇聯著名物理學家塔姆（Tamm，IgorYavgenyevich1895～1971）就曾提出用環形強磁場約束高溫等離子體的設想。1918年，塔姆畢業於國立莫斯科大學。從20年代到30年代早期，他曾以量子理論為基礎，研究固體的光色散問題。1937年，他成功地解釋了切倫科夫輻射現象，為此與另一位前蘇聯物理學家弗蘭克（Frank，IlyaMikhaylovich1908～）共獲1958年諾貝爾物理學獎。第二次世界大戰後，塔姆轉向受控熱核聚變研究。他認為，把強電流產生的極向磁場與環形磁場相結合，可望實現高溫等離子體的磁約束。受到這一思想的啟發，莫斯科庫爾恰托夫研究所的前蘇聯物理學家阿奇莫維奇（Artisimovich，LevAndreevich1909～1973）開始了這一裝置的研究。最初，他們在環形陶瓷真空室外套有多匝線圈，利用電容器放電，使真空室形成環形磁場。與此同時，用變壓器放電，使等離子體電流產生極向磁場。後來，利用不鏽鋼真空室代替陶瓷真空室，又改進了線圈的工藝，增加了匝數，改進了磁場位形，最後成功地建成了托卡馬克裝置。托卡馬克這一名稱由阿奇莫維奇命名，是俄文環流磁真空室的縮寫。
為了克服一般環形磁場使帶電粒子漂移，致使正負電荷分離而產生電場，破壞穩定約束的缺點，托卡馬克的磁場位形極為巧妙。它的總磁場是非圓環形的，它由一個沿大環形的圓形磁場與一個沿圓環截麵的小環形弱磁場疊加而成，這種合成場的磁力線既沿大圓環旋轉，又沿小圓環緩慢旋轉而形成螺旋線。帶電粒子在這種具有旋轉變換的磁場中，正離子繞行一周後，進入到電子漂移前的位置，而電子繞行一周後，進入到離子漂移前的位置。由於正負粒子互換，並不破壞原有的電中性，因而不再向外側漂移。
奇特的旋轉磁場位形，使托卡馬克取得了重大的進展。60年代末，前蘇聯的T-3和TM-3托卡馬克的等離子性能明顯地優於其它環形裝置。電子溫度達到1keV，離子溫度0.5keV，等離子體約束時間達到了“玻姆擴散時間”的50倍。這一神速進展在1968年召開的第三屆等離子體和受控熱核聚變研究國際會議上一公布，立刻引起轟動。1969年，英國卡拉姆實驗室主任皮斯（Pease，R.S.）帶領等離子體專家小組，對上述結果做了實地驗證核實，證明準確無誤後，引起了極大的反響。因為這一進展表明，人類不久即可在托卡馬克裝置上實現受控核聚變。由於阿齊莫維奇首創的托卡馬克裝置對國際核聚變研究發展中所做出的傑出貢獻，在他逝世後，國際原子能委員會做出決定，在每年度等離子體物理和受控熱核聚變研究國際學術會議上，將有一篇專題報告，紀念阿齊莫維奇的功績。
自70年代伊始，世界範圍內掀起了托卡馬克的研究熱潮。美國普林斯頓大學實驗室將仿星器Model-C改裝成ST托卡馬克；橡樹嶺實驗室則建成了奧爾馬克（Ormark）；法國馮克奈-奧-羅茲研究所建成了克利奧（Cleo）；日本原子能研究所建立了JFT-11托卡馬克；西德的普朗克研究所建立了普爾薩特托卡馬克；幾年以後中國科學院物理所也開始了托卡馬克的研究，第一台小型托卡馬克CT-6於1975年投入運行。1984年6月，又建成了目前國內最大的托克馬克裝置——中國環流1號（HL-1）。它們為中國的核聚變研究做出了許多開創性的貢獻，在其上所取得的實驗成果，都已經達到國際同類裝置等離子物理品質參數水平。
3．慣性約束係統進展
為實現受控熱核聚變，必須把等離子體約束足夠長時間。然而，磁約束方式既存在各樣的宏觀不穩定性，又存在有各種微觀不穩定性，它們都可能使約束受到破壞。50年代初，就有人從氫彈爆炸中受到啟發，尋找到了一種通過慣性進行約束的方式。在氫彈爆炸中，氫的加熱是由235U裂變炸彈爆炸完成的。由於自身的慣性，在爆炸的極短瞬間，等離子體來不及四外擴散，就被加熱到極高溫度而發生聚變反應。60年代，激光問世後，為可控加熱方式提供了可能。1963年，前蘇聯的巴索夫（Basov，NikolaiGennadievich1922～）與中國物理學家王淦昌分別提出了激光核聚變方案。利用激光打在燃料靶上，使靶材料形成等離子體，由於自身慣性，在未來得及四散開來以前，即被加熱到極高溫度而發生聚變反應。