誠然，視頻是一種很好的媒體猛计，但我一直認為奉瘤，對于希望系統(tǒng)和深入了解某些知識的人而言，采取這種連載方式的圖文更能讓你平靜的感知和深入的思考肌访，今天開始第二章吼驶，核聚變的歷史。
建議你把閱讀的字調(diào)大點酒请，然后點個關(guān)注
? ?玻璃管中進行的絕密實驗
對看好又不了解的東西布朦，就是自己先偷偷的搞，可控核聚變方面同樣如此唆途。
核武器研究之初肛搬，人類就希望把它的能量用于和平目的。裂變是這樣 让腹，聚變也是這樣。美國 锥余、英國和前蘇聯(lián)在研制核武器的同時，在 ２０ 世紀 ５０ 年代初，也秘密的開始了受控熱核聚變的研究工作医舆。
在聚變研究初期蔬将，各國科學家不約而同的想到要用磁場約束高溫等離子體莉给，θ 箍縮（θ-pinch） 咨演，仿星器（stellarator） 少欺，磁鏡（magnetic mirrors） 瑟枫，Z 箍縮（Z-pinch）和托卡馬克（tokamak）成為研究磁約束核聚變的主要途徑 祖乳。
1951 年蘇聯(lián)科學家 伊戈爾·葉夫根尼耶維奇·塔姆（Igor Yevgenyevich Tamm）和安德烈·薩哈羅夫（Andrei Sakharov）提出環(huán)形聚變反應堆的設想刽漂。在蘇聯(lián)使用大半徑 25cm 小半徑 3cm的玻璃管進行了小型實驗。
1952 年弟孟，美國第一次舍伍德（Sherwood）聚變研究方案會議在丹佛舉行贝咙。在以后幾年里拂募，幾種不同類型的聚變研究裝置在第二次世界大戰(zhàn)期間研究原子彈的幾個基地得到發(fā)展趴腋。
在普林斯頓（Princeton ）大學孵构，萊曼·斯皮策（Lyman Spitzer）提出了仿星器的概念，并開始了這一途徑的研究煎殷。在洛斯阿拉莫斯國家實驗室(Los Alamos National Laboratory)主要發(fā)展箍縮型裝置,在勞倫斯利物莫國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory)則開始建造磁鏡類型的裝置。
1955～1956 年，蘇聯(lián)科學家維塔利·德米特里耶維奇·沙夫拉諾夫?（V.D.Shafranov） 研究了環(huán)形放電的平衡和穩(wěn)定性問題，從而奠定了托卡馬克裝置的基本理論。蘇聯(lián)在這期間還試驗了不同材料的真空室漾唉，這也是后來托卡馬克取得成功的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。
1957 年英國環(huán)形箍縮裝置 ZETA?運行咪辱，成為當時世界上規(guī)模最大的實驗研究設備。
本節(jié)出現(xiàn)的幾種不同于托卡馬克約束的磁約束方式將在后面專門章節(jié)詳細說明，不是說它們就徹底無用了聂受，而是現(xiàn)階段醇份，工程實現(xiàn)上托卡馬克更現(xiàn)實一點绽左，但以后捍壤，有可以這些其它的約束方式會被用于特定的場景蒋纬，比如星際飛船上的核聚變引擎，因為每種方式都有其突出的優(yōu)點污茵。
? ??短暫的樂觀與各自為戰(zhàn)
在 20 世紀 50 年代襟士，聚變和裂變研究所面臨的局面是，裂變的軍事應用（第一顆原子彈）已于 1945 年實現(xiàn)，作為民用的第一個核電站于 1954 年在蘇聯(lián)奧布寧斯克建成有序，而在聚變的軍用方面疾层，美國在 1952 年試驗了第一顆氫彈旗笔。
按此進度外推拄踪，聚變的民用蝇恶，即聚變堆電站，應在不遠的將來實現(xiàn)惶桐。當時各國科學家就是這樣想的撮弧，所以對聚變應用的前途均持樂觀態(tài)度潘懊。例如，在 1955 年的第一屆和平利用原子能國際會議上贿衍，大會主席授舟、印度物理學家霍米·杰漢吉爾·巴巴（Homi Jehangir Bhabha）說，?20 年內(nèi)將會找到控制和利用核聚變能的方法贸辈，所以各國對此研究均處于嚴格保密狀態(tài)释树。
隨著研究的深入擎淤，科學家們發(fā)現(xiàn)用磁場約束高溫等離子體要比預想的困難得多奢啥。這里主要的障礙是等離子體在磁場約束下的宏觀穩(wěn)定性不好?。?受控聚變反應研究遇到的困難遠遠超過原來的想象嘴拢。
在這一時期桩盲，已充分認識到通往聚變能源之路的漫長與艱辛。在薩爾茨堡會議上炊汤，著名的蘇聯(lián)科學家列夫·阿蒂西莫維奇（Lev Artsimovich正驻，上圖右1）在評述實驗結(jié)果的會議總結(jié)中說：“我們都很清楚的是，我們原來相信抢腐，通往所需的超高溫區(qū)域的門只需憑物理學家的創(chuàng)造力用力一推就平穩(wěn)打開姑曙。這已被證明是虛妄的，就像罪人希望不經(jīng)過煉獄就能進天堂一樣迈倍。幾乎不用懷疑伤靠，受控聚變問題最終能夠解決，我們唯一不知道的是我們還要在煉獄里停留多久……”此后幾十年的歷史證明啼染，聚變研究確實不存在捷徑宴合。聚變之路遇到的困難不僅在于對物理過程的不了解，也在于工程上所需的強磁場迹鹅、高真空等技術(shù)手段卦洽，以及微波、激光斜棚、粒子束等加熱和診斷設備都有待發(fā)展阀蒂。
? ?謀求合作
為了更好的共同探求克服困難的途徑 ，各國由各自為戰(zhàn)轉(zhuǎn)而為開展交流合作弟蚀，秘密隨之被慢慢公開蚤霞。
1957 年以后， 一些關(guān)于核聚變的文獻開始在刊物上公開發(fā)表义钉。1958年在日內(nèi)瓦召開的第二屆和平利用原子能國際會議（上圖）上昧绣，各國科學家都公布了自己的研究成果并發(fā)起國際合作，?從此 捶闸，聚變成為國際合作的主題夜畴。?
蘇聯(lián)科學家在那年展示了他們編輯的四卷論文集拖刃。這一會議的另一成果是開始了國際原子能機構(gòu)（International Atomic Energy Agency, IAEA）主持的聚變研究國際會議。1961 年第一次國際聚變會議在奧地利的薩爾茨堡召開贪绘。此后序调，在 IAEA 主持下，國際性的聚變能會議形成制度兔簇，最初是兩年一次，1974 年以后改為三年一次硬耍，后又改為兩年一次垄琐。
? ?托卡馬克領跑
某種意見上講，一開始的聚變研究途徑就是在花錢探路经柴，蘇聯(lián)一直在托卡馬克裝置方向上努力狸窘，并押對了大方向。
1958～1959 年蘇聯(lián)研制 T-1 托卡馬克裝置坯认， 1960 年研制 T-2翻擒。T-2 大半徑 62.5cm，使用不銹鋼波紋管真空室牛哺、超高真空陋气，安裝銅殼用于穩(wěn)定等離子體。1964 年他們又研制 T-3 引润，在利用強縱場克服等離子體的宏觀穩(wěn)定性上取得突破性的進展巩趁。其大半徑1米，環(huán)向磁場 2～2.5特斯拉淳附，電子溫度達到 600～800eV议慰，幾個毫秒的能量約束時間超過原來的定標律玻姆時間10 倍以上。
等離子體的離子溫度（Ti)奴曙、電子溫度(Te)别凹，等離子體密度(Ni)和能量約束時間(τE)是磁約束聚變的幾個重要指標。溫度洽糟、密度炉菲、約束時間三者的乘積則衡量的是該聚變裝置的綜合性能指標，被稱為三乘積指標脊框。
定標律玻姆時間：早期的一種描述高溫等離子體擴散與溫度和磁場強度的關(guān)系的模型颁督，?通俗點講就是溫度越高，約束時間越短浇雹，有個極限值沉御，這個值就是定標律玻姆時間。這里說明昭灵，實驗打破了理論預言的極限吠裆。
1968 年伐谈，蘇聯(lián)在新西伯利亞舉行的第三次國際會議上公布了這一驚人的實驗成果。翌年英國庫勒姆實驗室（現(xiàn)在的庫勒姆聚變能中心國家實驗室）的科學家攜激光散射測量裝置去蘇聯(lián) T-3 裝置進行實地測量试疙，證實確實能達到很高的電子溫度诵棵。這一成果震動了國際聚變界，世界對聚變研究的悲觀情緒一掃而空祝旷。
隨后履澳，從20世紀70年代開始，世界上掀起了一股“托卡馬克”熱 怀跛，各國將研究的重點轉(zhuǎn)向了托卡馬克并開始建造自己的托卡馬克距贷。
美國普林斯頓?（Princeton ）大學的等離子體物理研究所（PPPL）立即把仿星器 C 裝置改成了托卡馬克ST ，很快就重復了前蘇聯(lián) T-３ 上的結(jié)果?吻谋，隨后同時造了三個托卡馬克 ：
絕熱環(huán)形壓縮機（adiabatic toroidal compressor忠蝗，ATC），
極向偏濾器實驗（poloidal divertor experiment漓拾，PDX）
普林斯頓大型聚變環(huán)（princeton large torus阁最， PLT ）。
橫坐標為時間骇两，縱坐標為等離子體密度速种、能量約束時間、等離子體溫度三乘積指標
如上圖低千，以T3為標志哟旗，從 1968 年到2008 年 ，全世界共建造了幾十個大大小小不同尺寸 栋操、不同要求的托卡馬克 闸餐，把核聚變研究推向了一個新的高度?。在數(shù)十年里矾芙，這個三乘積指標連續(xù)保持 1.8 年翻一番的進展速度舍沙，超過了摩爾定律所歸納的集成電路容量增長速度。（所以剔宪，別老說核聚變沒進步拂铡，只是因為它太難）
當然，除托卡馬克以外的箍縮葱绒、磁鏡等磁約束方法也在推進感帅，雖說在指標方面跑在了托卡馬克的后面，但作為磁約束方法的一種地淀，對人類而言失球，是一些備選方案，并且在等離子理論達到一定高度后，可能會重新出山实苞，例如豺撑，反場箍縮已被用于研究聚變飛船發(fā)動機。
更重要的是聪轿，此時的高溫等離子體有關(guān)理論和數(shù)值模擬也取得很大進展，而且在聚變研究中顯得日益重要猾浦。如描述二維等離子體的理想磁流體動力學平衡方程陆错，等離子體波理論，等離子體動理論和不穩(wěn)定性金赦，新經(jīng)典輸運理論危号。隨著對等離子體過程復雜性的認識和計算機算力的增加，完全的計算模擬也日益受到重視素邪。
? ?動真格
如果說之前的實驗更多地是進行單一高溫等離子體磁約束（比如單一的氘、單一的氦）的研究猪半，那么兔朦，進入到20世紀80年代，幾大先發(fā)國開始建造接近聚變堆的大型托卡馬克了磨确，那就是動真格了沽甥，每個裝置的投資都是數(shù)億美元，并且開始進行實際的氘-氚聚變實驗了（這是很費錢的乏奥，并且產(chǎn)生的中子對基礎設備有損耗）摆舟。
主要有這么4個裝置：
① 美國普林斯頓?（Princeton ）的托卡馬克聚變試驗反應堆（TFTR）
② 歐洲卡勒姆（Culham）的歐洲聯(lián)合環(huán)形加速器 （JET）；
③ 日本那珂市（Naka）的日本圓環(huán)-60（JT-６０） 邓了；
④ 前蘇聯(lián)庫爾恰托夫原子能所的托卡馬克-15 （T-１５） 超導托卡馬克恨诱。
前三個裝置達到了“里程碑” ，基本上實現(xiàn)了氘氚燃燒的科學可行性的各項指標骗炉。
1991 年照宝，歐洲的JET 裝置用 D-T 反應產(chǎn)生 1.7MW 聚變功率。
1993 年句葵，美國 TFTR 裝置用 D-T 反應產(chǎn)生6.4MW 聚變功率厕鹃，后來又將這一功率提高到 10 . 7MW。
1997 年乍丈， JET 又創(chuàng)造了 D-T 反應產(chǎn)生 16.1MW 聚變功率的新紀錄剂碴。
1998 年，日本 JT-60 裝置的 D-D 反應（由于核安全原因轻专，日本作為戰(zhàn)敗國忆矛，一直只能進行氘氘實驗）的實驗參數(shù)的等效 D-T 反應能量增益因子 Q （能量輸出與輸入之比）達到 1.25，離子溫度峰值達到?45keV（約4.5億度）请垛，電子溫度高于 10keV（約1億度）洪碳，電子密度達到每立方米1萬億億個递览。（注意日本這個裝置達到的離子溫度）
直到現(xiàn)在，４個裝置都以不同的方式繼續(xù)運行著瞳腌，TFTR?于１９９７年關(guān)閉绞铃，其運轉(zhuǎn)所獲得的資料和知識被應用到了新的裝置－美國國家球面環(huán)實驗（National Spherical Torus Experiment (NSTX)?）中了。JET經(jīng)過持續(xù)的升級嫂侍，目前還在運行中儿捧，JT-60目前已被升級到 JT-60 SA并于２０２１年３月進行綜合調(diào)試。T-15從２０１０年開始升級為T-15MD挑宠，并于２０２０年底完成了啟動所需要的物理準備工作菲盾。具體情況將在后續(xù)章節(jié)中詳細介紹。
?真正的多國合作超大世紀工程
20 世紀 90 年代在托卡馬克裝置上取得的成就各淀，意味著受控聚變反應的科學可行性已得到驗證懒鉴，在此基礎上，建造一臺國際合作研究的聚變實驗裝置國際熱核實驗堆(ITER碎浇，International Thermonuclear Experimental Reactor）被首次提出临谱。
在 １９７６ 年由美蘇倡議 ，在國際原子能機構(gòu)（?IAEA奴璃，International Atomic Energy Agency）的框架下 悉默，由美國、歐?苟穆、日抄课、俄共同建造 ITER ，這是一個巨大的科學計劃 雳旅。它的目標是驗證穩(wěn)態(tài)的氘氚等離子體自持“燃燒”的科學可行性 跟磨、聚變反應堆的工程可行性 。
但顯然這個世紀超大工程不是一蹴而就的攒盈，期間幾近曲折吱晒，ITER光設計就由幾百位科學家及工程師花了近 １０ 年?，耗資２０ 億美元才完成 沦童。最初設計費用估算在６０億美元仑濒，而后增加到１００億美元，而目前ITER官方認可費用增加到了２2０億美元以上偷遗，而美國能源部在2018年估算光建設費用將達到650億美元墩瞳，后面還有高額的運營成本（當然，美國有點自己的小酒酒氏豌，美國目前已經(jīng)拖欠現(xiàn)金6500萬美元喉酌，有點不想干挑毛病的意思）。
作為比較，國際空間站的預算為1000億歐元泪电，而大型強子對撞機則僅為75億歐元般妙。
因為造價過高且看似無底洞的預算增加，加之政治原因相速、選址以及技術(shù)原因（如對托卡馬克的轉(zhuǎn)換效率的低期望）碟渺，ITER曾一度停擺，１９９０ ～ ２０００ 年在美國宣布退出 ITER 突诬，其他伙伴國又提出 ITER 的改進設計ITER瘦身版（ITER－ＦＥＡＴ）?苫拍，從 ２００３ 年起 ，中國政府擬定參加ITER 旺隙，隨后美國又宣布重新加入 绒极，韓國也聲明參加?。
ITER最終?于２００６ 年確定選址在法國蔬捷，并于2007年正式破土動工垄提，目前主體工程已經(jīng)封頂并開始裝配，計劃在2025年進行第一次熱機（注入等離子）周拐，2035年正式開始氘氚聚變運營
ITER將是第一個長時間保持聚變的設備铡俐。根據(jù)其技術(shù)手冊，階段目標是實現(xiàn)400-600秒超長脈沖聚變速妖，產(chǎn)生50萬千瓦的電能，相當于450萬千瓦時的電能輸出聪黎，這個發(fā)電量大約相當于大亞灣核電站（核裂變）總裝機容量的1.5倍罕容，三峽水電站總裝機容量的1/5，遠期目標是保持長時間穩(wěn)態(tài)運行稿饰，當然锦秒，它的主要目的仍然是研究，不會用來發(fā)電喉镰，只不過是商業(yè)發(fā)電規(guī)模的研究旅择，為人類的第一個聚變商業(yè)發(fā)電站作技術(shù)準備。
關(guān)于ITER的詳細結(jié)構(gòu)請點擊這里：
200億侣姆！35國生真！50萬千瓦！10倍能量收益捺宗！征服基本力柱蟀！國際熱核實驗堆ITER核心全揭秘！
中國在哪里蚜厉？
有人說长已，講了這么多，沒講到中國，中國的核聚變早就超過美國了术瓮，那個合肥的小太陽都1億度了康聂，ITER里面我們才是大哥，現(xiàn)在中國又自己搞中國聚變工程實驗堆（CFETR胞四，China Fusion Engineering Test Reactor)恬汁，一人挑一群。
首先撬讽，關(guān)于這個話題蕊连，不是我們這個專題重點討論的內(nèi)容，我們的目的還是學習與核聚變與高溫等離子體有關(guān)的知識游昼。（或者說甘苍，等整個專題結(jié)束了我們再討論一下也無妨）話又說回來了，相信我烘豌，等你對這方面知識了解越深入载庭，你就越會冷靜客觀地看待流量視頻給你打的雞血了。
接下來廊佩，關(guān)于中國的核聚變研究和工程發(fā)展史囚聚，且聽下回分解，搞長了看著累
講完了标锄，歡迎關(guān)注瀏覽我的其他文章顽铸。
往期精彩回顧
從小白到行家！系統(tǒng)認識核聚變物理與核聚變實驗裝置（一)--序章
走近人類能源的圣杯－－“可控核聚變”（下）（原創(chuàng)）
200億优质！35國！50萬千瓦军洼！10倍能量收益巩螃！征服基本力！國際熱核實驗堆ITER核心全揭秘匕争！
等離子推進器--面向深空探索的次世代發(fā)動機（上）等離子推進器--面向深空探索的次世代發(fā)動機（中）
星城牺六！我們從這里出發(fā)，坐電梯到月球汗捡！太空電梯深度解析
深度解析末世科技系列（1）：洛倫茲力毀滅者--從電磁槍到光速電磁炮
