【材制 | 视角】托卡马克—文明升级的希望
初原载于 爱学习的 青春材制
2022-11-11
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能源区分文明等级
根据卡尔达肖夫指数理论，驾驭能量的能力是量化文明程度和衡量科技发展水平的重要标准。这个理论将宇宙中文明划分成了三个不同的等级，行星文明（一级文明）、恒星文明（二级文明）和星系文明（三级文明）。行星文明可以驾驭的能量大概是10的16次方瓦特，据此推算现如今人类的文明程度只有0.7级。化石能源只能算是文明“过渡期”的能源，人类真正迈入一级文明的“标志”只能是可控核聚变的使用。
发展文明需要可控核聚变
核聚变反应过程中几乎没有核辐射，废料也几乎没有放射性，反应还好控制——只要断电就可以终止，无需担心出现恐怖的核事故。因此，可控核聚变简直就是人类梦想中的能源形式，一旦实现，人类文明无疑会再上一个台阶。
可控核聚变的困境
产生可控核聚变需要的条件非常苛刻。我们的太阳就是靠核聚变反应来给太阳系带来光和热，其中心温度达到1500万摄氏度，另外还有巨大的压力能使核聚变正常反应，而地球上没办法获得巨大的压力，只能通过提高温度来弥补，不过这样一来温度要到上亿度才行。核聚变如此高的温度没有一种固体物质能够承受。
那么还有什么别的办法？
把核聚变关进“笼子”—托卡马克
用实打实的物质不行，几个苏联物理学家在1950年代想出了一个新方法：用看不见摸不着的磁场，即依靠强大的磁场来给等离子体编织一个逃不出去的笼子，实现磁约束核聚变。
这便是所谓的“托卡马克（Токамáк）”。这个名字来源于四个俄语单词—环形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnet）、线圈（kotushka），而这也恰好体现了它的主要构造。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型磁场，将其中的等离子体加速，进而加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。外形酷似一堆被放倒的轮胎。
托卡马克装置的工作原理可分为微波加热和磁约束两部分：
(1) 微波加热的作用就是加热、加速粒子，从而生成等离子体，并使粒子达到极高的速度。
(2) 磁约束的作用是将等离子体约束在磁场中，发生相互作用，磁场越强，约束能力也就越强。因此我们可以通过调控磁场的强度与分布，把等离子体约束在一定范围内。
托卡马克装置的核心就是产生强磁场，磁场强度需要大于10特斯拉。我们熟悉的普通磁铁和冰箱贴，它们的磁场强度仅有0.001-0.01特斯拉，远远达不到技术要求，为此就要用线圈通电产生磁场。而线圈由导线缠绕组成，无论哪种材料，只要在超导温度以上，电阻是必然存在的。
托卡马克装置要想产生极强的磁场，导线中必须通极大的电流。导线中的电阻不仅导致能耗增加，而且也限制了极大电流的产生。
幸好，超导技术的发展给这一问题带来转机。只要借助超导技术，理论上就可以解决电阻和损耗的问题，于是，使用超导线圈并使用液氮或液氦制造超低温的托卡马克装置就诞生了，这就是超托卡马克。
世界各国发展情况
目前为止，世界上仅有4个国家有大型超托卡马克装置，它们分别是：法国的Tore－Supra，俄罗斯的T-15，日本的JT-60U，和中国的EAST。除了EAST以外，其他几个都只能叫“准超托卡马克”，因为它们的水平线圈是超导的，垂直线圈则是常规的，因此还是会受到电阻的困扰。
中国的可控核聚变
发展规划
通过几十年来这些装置的设计，研制和运行试验的过程中，中国迅速积累了一大批优秀的聚变科学家和工程师队伍。我国在磁约束聚变的研究上制定了近期、中期和远期技术目标，分别为：
(1) 近期目标 (2015—2021年) :建立近堆芯级稳态等离子体实验平台, 吸收消化、发展与储备聚变工程实验堆关键技术, 设计、预研聚变工程实验堆关键部件等;
(2) 中期目标 (2021—2035年) :建设、运行聚变工程实验堆, 开展稳态、高效、安全聚变堆科学研究;
(3) 远期目标 (2035—2050年) :发展聚变电站, 探索聚变商用电站的工程、安全、经济性。
同时制定了中国磁约束聚变（MCF）发展路线示意图：
发展路线示意图
“我的梦想就是在有生之年，有一只灯泡被核聚变点亮，
而且这一只灯泡一定要在中国！”
——李建刚院士
参考文献
[1]DeepTech深科技《MIT一次刊发7篇论文，详解“人造太阳”重大突破.Nuclear Fusion》
[2]知乎 汪键是个大胖子《人类技术停滞了吗，可控核聚变是不是一个美丽的传说》
[3]孙正明《核聚变堆超导导体材》
[4]探求随风者 《一级文明“巅峰”有多强？掌握核聚变不成问题,人类尚且未到达》
撰 稿 人:科协科创部 席钰杭 张瑞德 陈逸凡
责任编辑:科协执行主席 李嘉宇
执行编辑:科协组宣部 马旭彤 李亦高
总 编 辑: 李晓萌
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