誠然改备，視頻是一種很好的媒體控漠，但我一直認為，對于希望系統(tǒng)和深入了解某些知識的人而言悬钳，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盐捷，今天開始第二章，核聚變的歷史默勾。
建議你把閱讀的字調(diào)大點碉渡，然后點個關注
? ?玻璃管中進行的絕密實驗
對看好又不了解的東西，就是自己先偷偷的搞母剥，可控核聚變方面同樣如此滞诺。
核武器研究之初形导，人類就希望把它的能量用于和平目的。裂變是這樣 习霹，聚變也是這樣朵耕。美國 、英國和前蘇聯(lián)在研制核武器的同時淋叶，在 ２０ 世紀 ５０ 年代初阎曹，也秘密的開始了受控熱核聚變的研究工作。
在聚變研究初期爸吮，各國科學家不約而同的想到要用磁場約束高溫等離子體芬膝，θ 箍縮（θ-pinch） ，仿星器（stellarator） 形娇，磁鏡（magnetic mirrors） 锰霜，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 。
圖：1950桐早，英國倫敦帝國理工學院最早的z箍縮裝置癣缅，容器是由耐熱玻璃管制成
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。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哄酝。
1952 年友存，美國第一次舍伍德（Sherwood）聚變研究方案會議在丹佛舉行。在以后幾年里陶衅，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)展屡立。
圖：現(xiàn)在的普林斯頓等離子體物理實驗室（Princeton Plasma Physics Laboratory，PPPL）搀军，其在核聚變領域的研究目前還處于領跑地位
在普林斯頓（Princeton ）大學膨俐，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罩句。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焚刺。
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)定性問題门烂，從而奠定了托卡馬克裝置的基本理論乳愉。蘇聯(lián)在這期間還試驗了不同材料的真空室，這也是后來托卡馬克取得成功的關鍵技術問題之一屯远。
圖：位于英國哈維爾的零功率熱核裝置（Zero Energy Thermonuclear Assembly蔓姚，ZATA）。環(huán)形約束管大致居中慨丐。外圍較大的環(huán)形裝置是磁鐵赂乐，用來感應箍縮電流。
1957 年英國環(huán)形箍縮裝置 ZETA?運行咖气，成為當時世界上規(guī)模最大的實驗研究設備挨措。
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崩溪，而是現(xiàn)階段浅役，工程實現(xiàn)上托卡馬克更現(xiàn)實一點，但以后伶唯，有可以這些其它的約束方式會被用于特定的場景觉既，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)點乳幸。
? ??短暫的樂觀與各自為戰(zhàn)
在 20 世紀 50 年代瞪讼，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)粹断，作為民用的第一個核電站于 1954 年在蘇聯(lián)奧布寧斯克建成符欠，而在聚變的軍用方面，美國在 1952 年試驗了第一顆氫彈瓶埋。
圖：印度物理學家霍米·杰漢吉爾·巴巴（Homi Jehangir Bhabha）希柿，被稱為“印度核計劃之父”
按此進度外推，聚變的民用养筒，即聚變堆電站曾撤，應在不遠的將來實現(xiàn)。當時各國科學家就是這樣想的晕粪，所以對聚變應用的前途均持樂觀態(tài)度挤悉。例如，在 1955 年的第一屆和平利用原子能國際會議上巫湘，大會主席装悲、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剩膘，所以各國對此研究均處于嚴格保密狀態(tài)衅斩。
圖：普林斯頓等離子體物理實驗室（PPPL）的研究人員利用超級計算機進行等離子大規(guī)模仿真，等離子湍流是宏觀穩(wěn)定性不好的重要表現(xiàn)
隨著研究的深入怠褐，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畏梆。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奈懒。
在這一時期奠涌，已充分認識到通往聚變能源之路的漫長與艱辛。在薩爾茨堡會議上磷杏，著名的蘇聯(lián)科學家列夫·阿蒂西莫維奇（Lev Artsimovich溜畅，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，我們原來相信极祸，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)打開慈格。這已被證明是虛妄的怠晴，就像罪人希望不經(jīng)過煉獄就能進天堂一樣。幾乎不用懷疑浴捆，受控聚變問題最終能夠解決蒜田，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，聚變研究確實不存在捷徑选泻。聚變之路遇到的困難不僅在于對物理過程的不了解冲粤，也在于工程上所需的強磁場、高真空等技術手段页眯，以及微波梯捕、激光、粒子束等加熱和診斷設備都有待發(fā)展窝撵。
? ?謀求合作
為了更好的共同探求克服困難的途徑 傀顾，各國由各自為戰(zhàn)轉(zhuǎn)而為開展交流合作，秘密隨之被慢慢公開忿族。
1957 年以后锣笨， 一些關于核聚變的文獻開始在刊物上公開發(fā)表。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）上道批，各國科學家都公布了自己的研究成果并發(fā)起國際合作错英，?從此 ，聚變成為國際合作的主題隆豹。?
蘇聯(lián)科學家在那年展示了他們編輯的四卷論文集椭岩。這一會議的另一成果是開始了國際原子能機構（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璃赡。此后判哥，在 IAEA 主持下，國際性的聚變能會議形成制度碉考，最初是兩年一次塌计，1974 年以后改為三年一次，后又改為兩年一次侯谁。
? ?托卡馬克領跑
某種意見上講锌仅，一開始的聚變研究途徑就是在花錢探路，蘇聯(lián)一直在托卡馬克裝置方向上努力墙贱，并押對了大方向热芹。
1958～1959 年蘇聯(lián)研制 T-1 托卡馬克裝置， 1960 年研制 T-2惨撇。T-2 大半徑 62.5cm伊脓，使用不銹鋼波紋管真空室、超高真空魁衙，安裝銅殼用于穩(wěn)定等離子體报腔。1964 年他們又研制 T-3 株搔，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。其大半徑1米榄笙，環(huán)向磁場 2～2.5特斯拉邪狞，電子溫度達到 600～800eV，幾個毫秒的能量約束時間超過原來的定標律玻姆時間10 倍以上茅撞。
等離子體的離子溫度（Ti)、電子溫度(Te)巨朦，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米丘。溫度、密度糊啡、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拄查，被稱為三乘積指標。
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系的模型棚蓄，?通俗點講就是溫度越高堕扶，約束時間越短，有個極限值梭依，這個值就是定標律玻姆時間稍算。這里說明，實驗打破了理論預言的極限役拴。
圖：前蘇聯(lián)T-３托卡馬克裝置
1968 年糊探，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 裝置進行實地測量河闰，證實確實能達到很高的電子溫度科平。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姜性。
隨后瞪慧，從20世紀70年代開始，世界上掀起了一股“托卡馬克”熱 部念，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弃酌。
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?印机，隨后同時造了三個托卡馬克 ：
絕熱環(huán)形壓縮機（adiabatic toroidal compressor矢腻，ATC），
極向偏濾器實驗（poloidal divertor experiment射赛，PDX）
普林斯頓大型聚變環(huán)（princeton large torus多柑， PLT ）。
橫坐標為時間楣责，縱坐標為等離子體密度竣灌、能量約束時間聂沙、等離子體溫度三乘積指標
如上圖，以T3為標志初嘹，從 1968 年到2008 年 及汉，全世界共建造了幾十個大大小小不同尺寸 、不同要求的托卡馬克 屯烦，把核聚變研究推向了一個新的高度?坷随。在數(shù)十年里，這個三乘積指標連續(xù)保持 1.8 年翻一番的進展速度驻龟，超過了摩爾定律所歸納的集成電路容量增長速度温眉。（所以，別老說核聚變沒進步翁狐，只是因為它太難）
當然类溢，除托卡馬克以外的箍縮、磁鏡等磁約束方法也在推進露懒，雖說在指標方面跑在了托卡馬克的后面闯冷，但作為磁約束方法的一種，對人類而言懈词，是一些備選方案蛇耀，并且在等離子理論達到一定高度后，可能會重新出山钦睡，例如蒂窒，反場箍縮已被用于研究聚變飛船發(fā)動機。
圖：現(xiàn)如今荞怒，科學家們利用超算模擬受控聚變已成為一種極重要的研究手段
更重要的是洒琢，此時的高溫等離子體有關理論和數(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褐桌。如描述二維等離子體的理想磁流體動力學平衡方程衰抑，等離子體波理論，等離子體動理論和不穩(wěn)定性荧嵌，新經(jīng)典輸運理論呛踊。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啦撮。
? ?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（比如單一的氘谭网、單一的氦）的研究，那么赃春，進入到20世紀80年代愉择，幾大先發(fā)國開始建造接近聚變堆的大型托卡馬克了，那就是動真格了，每個裝置的投資都是數(shù)億美元锥涕，并且開始進行實際的氘-氚聚變實驗了（這是很費錢的衷戈，并且產(chǎn)生的中子對基礎設備有損耗）。
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）层坠；
③ 日本那珂市（Naka）的日本圓環(huán)-60（JT-６０） 殖妇；
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。
前三個裝置達到了“里程碑” 破花，基本上實現(xiàn)了氘氚燃燒的科學可行性的各項指標谦趣。
1991 年，歐洲的JET 裝置用 D-T 反應產(chǎn)生 1.7MW 聚變功率座每。
1993 年蔚润，美國 TFTR 裝置用 D-T 反應產(chǎn)生6.4MW 聚變功率，后來又將這一功率提高到 10 . 7MW尺栖。
1997 年， JET 又創(chuàng)造了 D-T 反應產(chǎn)生 16.1MW 聚變功率的新紀錄烦租。
1998 年延赌，日本 JT-60 裝置的 D-D 反應（由于核安全原因，日本作為戰(zhàn)敗國叉橱，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挫以，離子溫度峰值達到?45keV（約4.5億度），電子溫度高于 10keV（約1億度）窃祝，電子密度達到每立方米1萬億億個掐松。（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)運行著粪小，TFTR?于１９９７年關閉大磺，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)的升級探膊，目前還在運行中杠愧，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逞壁，并于２０２０年底完成了啟動所需要的物理準備工作流济。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腌闯，意味著受控聚變反應的科學可行性已得到驗證绳瘟，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姿骏，International Thermonuclear Experimental Reactor）被首次提出糖声。
圖：ITER目前已是一個35國參與的國際大項目
在 １９７６ 年由美蘇倡議 ，在國際原子能機構（?IAEA，International Atomic Energy Agency）的框架下 姨丈，由美國畅卓、歐?、日蟋恬、俄共同建造 ITER 翁潘，這是一個巨大的科學計劃 。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 歼争、聚變反應堆的工程可行性 拜马。
但顯然這個世紀超大工程不是一蹴而就的，期間幾近曲折沐绒，ITER光設計就由幾百位科學家及工程師花了近 １０ 年?俩莽，耗資２０ 億美元才完成 。最初設計費用估算在６０億美元乔遮，而后增加到１００億美元辨赐，而目前ITER官方認可費用增加到了２2０億美元以上，而美國能源部在2018年估算光建設費用將達到650億美元土铺，后面還有高額的運營成本（當然丢早，美國有點自己的小酒酒，美國目前已經(jīng)拖欠現(xiàn)金6500萬美元坯辩，有點不想干挑毛病的意思）馁龟。
作為比較，國際空間站的預算為1000億歐元漆魔，而大型強子對撞機則僅為75億歐元坷檩。
因為造價過高且看似無底洞的預算增加，加之政治原因改抡、選址以及技術原因（如對托卡馬克的轉(zhuǎn)換效率的低期望）矢炼，ITER曾一度停擺，１９９０ ～ ２０００ 年在美國宣布退出 ITER 雀摘，其他伙伴國又提出 ITER 的改進設計ITER瘦身版（ITER－ＦＥＡＴ）?裸删，從 ２００３ 年起 ，中國政府擬定參加ITER 阵赠，隨后美國又宣布重新加入 涯塔，韓國也聲明參加?。
ITER最終?于２００６ 年確定選址在法國清蚀，并于2007年正式破土動工匕荸，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）枷邪，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榛搔。根據(jù)其技術手冊，階段目標是實現(xiàn)400-600秒超長脈沖聚變，產(chǎn)生50萬千瓦的電能践惑，相當于450萬千瓦時的電能輸出腹泌，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，三峽水電站總裝機容量的1/5尔觉，遠期目標是保持長時間穩(wěn)態(tài)運行凉袱，當然，它的主要目的仍然是研究侦铜，不會用來發(fā)電专甩，只不過是商業(yè)發(fā)電規(guī)模的研究，為人類的第一個聚變商業(yè)發(fā)電站作技術準備钉稍。
關于ITER的詳細結(jié)構請點擊這里：
200億涤躲！35國！50萬千瓦贡未！10倍能量收益种樱！征服基本力！國際熱核實驗堆ITER核心全揭秘俊卤！
? ?中國在哪里缸托？
有人說，講了這么多瘾蛋，沒講到中國，中國的核聚變早就超過美國了矫限，那個合肥的小太陽都1億度了哺哼，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叼风，China Fusion Engineering Test Reactor)取董，一人挑一群。
首先无宿，關于這個話題茵汰，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的知識孽鸡。（或者說蹂午，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，相信我彬碱，等你對這方面知識了解越深入豆胸，你就越會冷靜客觀地看待流量視頻給你打的雞血了。
接下來巷疼，關于中國的核聚變研究和工程發(fā)展史晚胡，且聽下回分解，搞長了看著累
講完了，歡迎關注瀏覽我的其他文章估盘。
往期精彩回顧
從小白到行家瓷患！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)）
200億班套！35國肢藐！50萬千瓦！10倍能量收益吱韭！征服基本力吆豹！國際熱核實驗堆ITER核心全揭秘！
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）
星城理盆！我們從這里出發(fā)痘煤，坐電梯到月球！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
