用“磁瓶”约束等离子体

2017/1/16 13:42:59

假想有这样一个“瓶子反应器”：假定它可以耐一亿摄氏度以上的高温，能承受数千万个大气压力，并假定有一种加热用的“火”可使“瓶子反应器”从室温逐步上升到几千万摄氏度的高温。“瓶子”里充入氘和氚混合气体后，用这种“火”慢慢加热。当温度上升到1000万摄氏度，氘、氚核的平均飞行速度达到每秒300公里，此时等离子体的压力为1000万个大气压以上。在这种条件下，通过氘和氚核相互碰撞，会有一部分核发生聚变反应。随着温度的继续升高，反应器内的聚变速度也将增加。

当“瓶子”的温度达到某一个界限，即释能的速度超过辐射能量损失的速度时，我们把加热“瓶子”用的“火”拿走，核聚变反应也能自持下去。这个温度界限，就叫“临界点火温度”。

在普通人工所能建造的反应器规模下，氘-氚聚变反应的临界点火温度为数千万到一亿摄氏度；而氘-氘反应的临界点火温度为一亿至数亿摄氏度。

当然，不可能有任何实际的固体容器能做这种“瓶子”，因为温度在4万摄氏度以上时，现有的任何耐火材料都会熔化。

为此，科学家们想出了一种非常奇妙的方法：用磁场来约束等离子体，或者说，把等离子体放在一种特殊的“磁瓶”里。“磁瓶”是一种看不见的用磁场构成的“瓶子”，由于磁场不是由分子、原子构成的实体，所以没有什么熔化和温度高低的问题。

“托卡马克”装置脱颖而出

然而，事情并没有这么简单：磁场能约束等离子体，而等离子体反过来会削弱磁场。当等离子体的密度增加到一定的程度，外磁场会被完全抵消。某种强度的磁场只能约束一定密度和一定温度的等离子体。要想建一个“磁瓶”，让核聚变稳定在里面发生，又是谈何容易。

科学家们想出了各种各样的方案来建这个“磁瓶”，而一种叫做托卡马克的装置，在这些方案中脱颖而出。

上世纪50年代初，苏联物理学家塔姆萨哈罗夫提出，在环形等离子体中通过大电流感应产生的极向磁场跟很强的环向磁场结合起来，便可能实现等离子体平衡位形。莫斯科的库尔恰托夫研究所在阿齐莫维奇领导下开展了此项实验研究。他们将这种装置叫做托卡马克（Tokamak）。这个词是由俄语“环形、真空室、磁、线圈”的词头组成。托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候，托卡马克的内部会产生巨大的螺旋形磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。

1968年，在苏联诺沃西比尔斯克召开的等离子体物理和受控核聚变研究第三届国际会议上，阿齐莫维奇发表的在托卡马克装置上取得的最新实验结果引起了轰动。于是，世界范围内便很快掀起了研究托卡马克的热潮。