可控核聚变的实现方式有哪些？

核聚变的约束方式主要有引力约束、惯性约束和磁约束三种方式。

达到聚变条件后，还要对高温聚变物 质进行约束，以实现长脉冲稳态运行，即延长可控聚变反应时间，从而获得持续的核聚变能。在核聚变 反应过程中燃料通常被加温到 1 亿摄氏度以上，鉴于如此高的温度，唯有通过特定的场约束技术，才有 可能实现对热核聚变燃料的有效约束，实现可控聚变约束有三种途径，即引力（重力）约束、惯性约束 和磁约束。

1、引力约束：恒星内部核聚变反应的主要约束方式，目前在地球上无法 实现。恒星自身质量巨大，巨大的质量产生强大的引力，将氢原子核等物质紧紧地束缚在一起，这种强大的引 力克服了原子核之间由于带有相同电荷而产生的静电斥力，使得原子核能够靠近到足够近的距离，从而 在高温高压的环境下发生核聚变反应。这种约束方式依赖天体的超大质量，是一种天然存在的热核聚变 反应堆，然而由于人类无法在满足足够小体积的条件下制造出如此大质量的物体，因此以人类现阶段的 技术手段尚无法在地面上制造出可以实现引力约束核聚变的反应装置。

2、惯性约束：一种利用粒子的惯性来实现核聚变的方法，需要大量的能 量输入和精密的控制技术惯性约束通常采用高能量的激光或粒子束将燃料加热和压缩为等离子体，在自身惯性作用。下，等离子体 在极短的时间内来不及向四周飞散，在此过程中被压缩至高温、高密度的物理状态，从而发生核聚变反 应。这种约束方式约束的时间尺度较短，形成的等离子体具有较高的温度和密度等特征参数，需要大量 的能量输入和精密的控制技术。

3、磁约束：聚变能量约束时间长、技术成熟度高、工程可行性较强，是 目前实现聚变能开发的最有效途径。由于带电粒子在磁场中趋向于沿着磁力线运动，而横跨磁力线的运动将会受到限制，这时的磁场可以起 到约束带电粒子的作用。磁约束核聚变通过加热等外部手段将燃料温度提升，极高的温度使得燃料完全 电离形成等离子体，然后采用特殊结构的磁场形式把燃料离子和大量自由电子组成的处于热核反应状态 的高温等离子体约束在有限的体积内，使之受到控制地发生核聚变反应，并在此过程中释放出能量。增 强磁场可以大幅度地减小带电粒子横越磁力线的扩散和导热特性，使处于磁场中的高温等离子体与反应 容器的壁面隔开，从而保护壁面不受高温侵袭。由于磁约束的能量约束时间长、技术成熟度高、工程可 行性较强的特点，在可控性、经济性和商业化前景上相比其他约束方式更具有明确的优势，因此被认为 是目前最有希望实现大规模受控核聚变反应的一种约束方式。目前磁约束方案已经被广泛使用，占据了 62%的核聚变装置市场份额。 基于磁约束原理的托卡马克装置逐步在核聚变研究领域占据主导地位。基于磁约束的基本原理，发展出 了托卡马克、磁镜、仿星器、球形托卡马克、直线箍缩、环箍缩等多种类型磁约束核聚变装置，其中托 卡马克装置因其具有高效的等离子体约束和稳定的平衡能力，并且工程上设计建造相对简单、运行维护 方便，经过多年研究发展技术成熟且有多次成功的实验验证，再加上广泛的国际合作和强大的研究基础， 逐步成为目前主流的核聚变装置。托卡马克（Tokamak）由苏联科学家在 20 世纪 50 年代提出，名字 由俄语的“环形（Toroidal）”、“真空室（Kamera）”、“磁（Magnit）”、“线圈（Kotushka）”几个词组 成，因其工作中会产生环形等离子体电流，所以也被称为环流器。托卡马克的形状酷似一个“甜甜圈”， 拥有一个环形真空室，环形中心是一个铁芯变压器，通过变压器初级线圈电流的变化产生磁场，从而在 环形真空室内形成等离子体电流并加热等离子体。真空室外有不同方向的线圈，分别产生环向和纵向的 磁场，真空室内形成的环形等离子体电流则会提供极向磁场，最终形成环形螺旋状磁场，将等离子体约 束在真空室中心。

托卡马克装置已被实验证明具备科学可行性，目前最有可能首先实现商业化。在 20 世纪 90 年代，欧 盟的 JET、美国的 TFTR 和日本的 JT-60 这三个大型托卡马克装置在磁约束核聚变研究中获得许多重要 成果，等离子体温度达 4.4×108?，这一温度大大超过氘氚反应的点火的要求；在氘氚粒子密度为 1:1 的 实验中，脉冲聚变输出功率超过 16.2MW；聚变输出功率与外部输入功率之比 Q 等效值超过 1.25。这些 实验的成功，初步证实了基于氘氚的磁约束聚变途径作为核聚变反应堆的科学可行性，同时表明托卡马 克是最有可能首先实现聚变能商业化的途径。

托卡马克装置的主要部件包括真空室（Vacuum Vessle）、磁体（Magnets）、包层模块 （Blankets）、偏滤器（Divertor）、真空杜瓦（Cryostat）5 个部分，另外还有真空系统、低温系 统、氚增值、电源诊断系统等支持系统。其主要部件的作用为： 真空室：是一个重要的环形容器，其内部创造出一个高真空环境，以维持等离子体的存在。等离子体在 这样的环境下不会与任何物质接触，从而减少热损失并保持其超高温状态。真空室同时也承担着支撑整 个设施结构的作用； 磁体系统：由多个线圈组成，其中包括托卡马克的标志性环向场线圈和中央螺线管，这些线圈产生强大 的磁场，用来稳定和控制沸腾状态的等离子体，防止其接触到任何实体表面，此外外侧的极向场线圈用 以进一步控制等离子体，确保其均匀分布并维持在中心； 包层模块：位于真空室内侧，主要作用是隔热和辐射屏蔽，保护结构免受炽热等离子体产生的高热和中 子辐射的伤害，未来的增殖包层还将有助于氚的生成； 偏滤器：处于托卡马克装置的底部，功能类似于“烟灰缸”，负责从等离子体中清除杂质和废物，从而保 持整个环境的纯净和等离子体的稳定； 真空杜瓦：围绕着整个托卡马克装置的外壳，为内部组件提供额外的保温效果，确保设施内部在适宜的 温度下运行，同时也支撑整体结构。

4、聚变-裂变混合堆：结合了聚变能和裂变能的优势，同样具备商业化潜 力。核聚变-裂变混合堆是一种利用核聚变和裂变过程相结合来生产核燃料及发电的方法，是一种次临界能 源堆芯，其核心思想在于使用氘-氚聚变反应堆产生的高能中子，来激发聚变反应式外的铀-238 或钍232（这两个元素被认为是核废料）这类非易裂变材料的裂变，生成的钚-239 或铀-233 在热中子作用下 进一步裂变，从而释放巨大能量并输出大量中子。裂变能量以热的形式被导出用于发电，输出的中子输 运到产氚包层内与锂-6 反应产生氚，补充聚变消耗，实现聚变燃料自持。因为所用的裂变材料本身热中 子区不可维持链式反应，故这种裂变在热堆不会自发临界，因此聚变-裂变混合堆在安全性、经济性、 能源优化利用以及环境影响方面具有独特的优势，被认为是目前最具商业化机会的堆型之一，也被视为 纯聚变堆真正应用前的“过渡”堆型。目前国际上主要的混合堆项目有中国“星火一号”、中国 Z 箍缩驱动 聚变裂变混合能源堆（Z-FFR）、韩国聚变嬗变反应堆（FTR）等。