5月28日，我國(guó)具有“人造太陽(yáng)”之稱(chēng)的先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克又突破了紀(jì)錄，在1.2億攝氏度度下成功運(yùn)行了101秒，在1.6億攝氏度度下運(yùn)行了20秒。

2017年，它在5000萬(wàn)攝氏度下運(yùn)行了100秒。2018年11月，它在1億攝氏度下運(yùn)行了10秒，這在當(dāng)時(shí)是一項(xiàng)世界紀(jì)錄。不過(guò)，韓國(guó)超導(dǎo)托卡馬克在2020年11月的時(shí)候，以1億攝氏度20秒的成績(jī)搶走了我們的紀(jì)錄。此次突破，我們又從韓國(guó)手中奪回屬于我們的紀(jì)錄。

核聚變的困難

太陽(yáng)核心每時(shí)每刻都在發(fā)生核聚變，但是在地球上，失去了強(qiáng)大的引力之后，要維持核聚變變得非常困難。原子核中的質(zhì)子帶正電，如果要把兩個(gè)質(zhì)子融合在一起，那么它需要克服兩者之間的靜電力。一般情況下，這是不能做到的，但是，如果我們將溫度提高，使質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)速度增快到一定的水平，那么它們就能克服靜電力碰撞在一起。

在這極端的溫度下，電子和原子核分離，形成了等離子體。它變得非常稀薄，密度大約是我們呼吸的空氣的一百萬(wàn)分之一。雖然在高溫下離子的運(yùn)動(dòng)速度變快，但是稀薄的環(huán)境也很難讓兩個(gè)離子碰撞在一起。

另外，保持如此高溫也是非常困難的。目前，托卡馬克采用磁約束來(lái)限制等離子的位置。但是，中子不帶電，不受磁場(chǎng)的控制，它會(huì)徑直地撞向設(shè)備的壁板。因此核聚變產(chǎn)生的80%的能量都會(huì)被中子所帶走，但這些能量也會(huì)用來(lái)發(fā)電。

因此，要實(shí)現(xiàn)核聚變的發(fā)生，必須滿(mǎn)足三個(gè)條件：極高的溫度、足夠的等離子密度以及足夠的時(shí)間約束。使用現(xiàn)有技術(shù)，最容易滿(mǎn)足這三個(gè)條件的是氫的兩個(gè)同位素：氘和氚。

雖然有很多輕元素都可以實(shí)現(xiàn)核聚變，但是氘和氚的效果是最好的。氘是一種廣泛存在于水中且無(wú)害的資源，根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，每立方米海水中就含有33克的氘。氚是一種快速衰變的元素，在自然界中的存量微乎其微。但是，可以使用鋰來(lái)產(chǎn)生氚。托卡馬克設(shè)備的壁板有鋰包層，當(dāng)中子撞向鋰包層的時(shí)候，它們就會(huì)相互作用產(chǎn)生氚。

等離子約束與加熱

這些高溫等離子如果不加以控制，那么它將彌散在整個(gè)設(shè)備之中，造成設(shè)備結(jié)構(gòu)被高溫熔化。自20世紀(jì)60年代以來(lái)，科學(xué)家就開(kāi)始研究約束等離子的方法，而托卡馬克一般使用的是磁約束的方法。

在托卡馬克設(shè)備中，會(huì)有不同類(lèi)型的磁場(chǎng)以微妙的形式組合在一起，形成一個(gè)環(huán)形磁場(chǎng)。而等離子體會(huì)沿著這些磁力線(xiàn)行進(jìn)，因此它們會(huì)被限制在環(huán)形空間中，從而避免與設(shè)備墻壁接觸。

除此之外，變化的磁場(chǎng)還會(huì)產(chǎn)生高強(qiáng)度電場(chǎng)。這些電場(chǎng)會(huì)激發(fā)離子相互碰撞，碰撞的“阻力”產(chǎn)生熱量提高反應(yīng)溫度。但是，當(dāng)溫度升高的時(shí)候，這種“阻力”會(huì)降低，因此溫度無(wú)法繼續(xù)升高。使用這種方法加熱，等離子體溫度并不能超過(guò)1億度，因此必須要有外部加熱方法：中性束注入。

在托卡馬克外部，有一設(shè)備可以將帶電的氘離子加速到很高的水平，然后通過(guò)另一設(shè)備去除電荷，最后再把經(jīng)過(guò)處理后的高能中性粒子注入核心。通過(guò)高速碰撞，這些中性粒子的能量會(huì)很快傳給等離子體，使其溫度不斷上升。通過(guò)這種方法，可以向內(nèi)部輸入百萬(wàn)瓦級(jí)別的加熱功率，使其溫度超過(guò)1億度。


事實(shí)上，還有另一種利用高頻電磁波的加熱方法，它可以將溫度提高到1.5億攝氏度以上。它就像微波爐加熱食物一樣，把電磁波的能量直接傳遞給等離子體。