3月26日，中科院合肥研究院等离子体所组织召开国家重点研发计划政府间国际科技创新合作专项磁约束核聚变能发展研究2017年度第一批立项项目的课题中期检查会议。此次会议主要对等离子体所牵头承担的“长脉冲高功率回旋管关键技术研究(2017YFE0300200)”和“高自举电流份额稳态等离子体先进运行模式研究2017YFE0300400)”两个项目下的11个课题开展中期检查。

　　

　　磁约束核聚变是一类受控热核聚变。用特殊形态的磁场把氘、氚等轻原子核和自由电子组成的、处于热核反应状态的超高温等离子体约束在有限的体积内，使它受控制地发生大量的原子核聚变反应，释放出热量。磁约束热核聚变是当前开发聚变能源中最有希望的途径，是等离子体物理学的一项重大应用。

　　

　　专家组分组听取了各课题负责人对课题中期执行进展情况的汇报，就各课题存在的问题与课题组成员展开交流，肯定了项目取得的阶段性成果，提出了宝贵建议，指出下一步需要改进和完善的方面，并形成项目专家组意见。

　　

　　关于磁约束热核聚变的等离子体物理学，主要内容有两个方面。一方面是历史性的知识积累，以受控热核聚变的科学可行性的验证为总目标的许多原理性实验，其中包括各种热核聚变途径的探索。除了环流器和开端的磁镜约束形态;还有其他多种磁约束途径正在研究中。第一代实用聚变堆的堆型尚待将来在改进型的环流器和其他途径中进行比较选定。另一方面是在这些探索、研究过程中现在已经形成的，物理学的一个新分支，磁约束等离子体物理学。

　　

　　对于原子核聚变反应中反应截面最大、相对容易实现的氘-氚聚变,要实现控制，最终建造可提供有增益的聚变能的热核聚变反应堆，必须具备一些基本的物理条件。

　　

　　①把高度纯净的、氘和氚的混合材料,加热到1亿度以上，即达到所谓热核温度。在这样的超高温度，氘氚混合气体已完全电离，成为氘、氚原子核和自由电子混合而成的等离子体。

　　

　　②从常温下处于分子状态的氘、氚材料开始，一直到上述热核温度的整个加热过程中，把这个尺寸有限的等离子体约束起来，使组成等离子体的原子核在发生足够多的聚变反应之前，不至于失散。定量地说，对于氘氚聚变，需要满足下列条件：n×t≥常数，

　　

　　式中n是单位体积(立方米)等离子体内原子核的数目(等于同一体积内自由电子的数目)，t是一个带有平均热动能的高速电子或原子核在等离子体内停留的时间。这个条件称为约束条件，或劳孙判据，它是根据氘氚聚变的反应截面并考虑了等离子体整个加热和产能过程中热能转换实际可能的效率而得出的,是聚变反应堆产生功率(能量)增益所必需满足的最低条件。例如,当氘氚混合体的原子核密度(指的是数密度，下同)n为10∧20个每立方米时，要求每个电子及原子核在等离子体内停留的时间，平均达到1秒以上。

　　

　　根据氘氚聚变的反应截面计算，一团氘氚混合气体,需要达到10千电子伏(等于1.16×10开)以上的温度，氘、氚原子核才能得到足够高的速度来克服它们相互之间的静电排斥力而接近到有足够的几率穿透核势垒，发生聚变，从而释放出核内蕴藏的能量，并超过轫致辐射等能量损耗而提供能量增益。10千电子伏的温度为标准状态温度(273开)的42500倍。

　　

　　在这样的高温下，已经完全电离的氘氚等离子体，如果保持它原来作为气体在标准状态时的密度，则它的压强会达到170000大气压(由于每个氘氚气混合体分子电离成为两个原子核和两个自由电子,分别产生压力，因此得到4倍于未电离时的压强)。因此，除非是用高密度的向心聚爆(见惯性约束聚变)等尚在探索中的、高度困难的方法，人们只能指望在较稀薄的等离子体密度，例如10τ米中进行受控的氘氚热核聚变。

　　

　　即使这样，一般的容器也无法使用。因为，任何材料的容器壁都不可能承受这样的高温，而且器壁一和高温等离子体接触，受到等离子体内发出的高速粒子和辐射的强烈轰击，放出杂质进入等离子体，就会导致等离子体的冷却而使热核反应停熄。

　　

　　另一方面，在这样的高温稀薄等离子体内，原子核的平均自由程很长，原子核形成后立即四散飞行，穿出等离子体，两个原子核碰撞发生聚变的几率很小。在温度为10千电子伏的氘氚等离子体中，自由电子的运动速度平均约为4×10米/秒，氘核和氚核的速度平均约为6×10米/秒。根据带电粒子碰撞理论计算,在10τ米的密度中，这样速度的粒子，两次弹性碰撞(偏转90°)之间的平均自由程约为10米。

　　

　　就是说,氘氚聚变等离子体的大小尺度需要达到10米,即10公里，粒子之间才有足够的互相碰撞的机会。即使在这么大的等离子体中，由于聚变反应的截面(10厘米)比带电粒子互相碰撞的截面(10厘米还要小很多,发生聚变的几率还是太小，不足以取得有实用意义的聚变功率。

　　

　　新闻来源：合肥物质科学研究院