热核能的未来：和平原子时代在等着我们吗？

20世纪下半叶是核物理学蓬勃发展的时期。显然，核反应可以用来从少量的燃料中产生巨大的能量。从第一枚核弹爆炸到第一座核电站只用了九年时间，当氢弹在1952年测试时，有预测说，热核电厂最早将在20世纪60年代投入使用。唉，这些希望没有实现。

人类目前的主要能源是燃烧煤、石油和天然气。但他们的库存有限，燃烧产品污染了环境。燃煤电厂的放射性排放比相同容量的核电站多！那么，为什么我们还没有转向核动力源呢？原因有很多，但其中最主要的是无线电恐惧症。虽然燃煤电厂即使正常运行，对健康造成的损害也比核电站的紧急排放还要多，但它确实对公众来说是安静和难以察觉的。核电站事故立即成为媒体的头条新闻，引起普遍恐慌（往往完全没有根据）。然而，这并不意味着核能没有客观问题。放射性废物带来了许多麻烦：处理放射性废物的技术仍然非常昂贵，在理想情况下，它们都将完全回收和使用，还有很长的路要走。

从除法到合成

从裂变反应堆到聚变反应堆的过渡有可能解决这些问题。如果一个典型的裂变反应堆含有数十吨放射性燃料，转化为几十吨放射性废物，其中含有各种放射性同位素，那么合成反应堆只使用数百克，最大公斤，一个放射性氢同位素-钛。此外，反应需要少量的这种危害最小的放射性同位素，还计划直接在发电厂进行生产，以尽量减少与运输有关的风险。合成产品是稳定（无放射性）和无毒氢和氦气。此外，与裂变反应不同，破坏装置时的热核反应会立即停止，而不会造成热爆炸的危险。那么，为什么还没有建造任何运行中的热核电厂呢？原因是，这些好处不可避免地产生了缺点：创造合成条件比最初预计的要困难得多。

劳森标准

要使热核反应具有能量优势，必须提供足够高的热核燃料温度、足够高的密度和足够小的能量损失。后者在数值上具有所谓的"保持时间"，即等离子体中剩余的热能与能量损失功率的比率（许多人错误地认为"保持时间"是安装中支持热等离子体的时间，但事实并非如此）。在铀和钛混合物的温度为10千瓦（约110，000，000度）时，我们需要在至少1014的保持时间（以秒为单位）获得1cm3（即等离子体浓度）的燃料颗粒数的乘积。然而，无论我们有浓度为1014cm-3和保持时间为1°C的血浆，还是浓度为1023和保持时间为1ns的血浆。此标准称为"劳森标准"。
除了负责获得能量有利反应的劳森标准外，还有一个等离子点火标准，对于滴定-钛反应，它大约是劳森标准的三倍。"点火"意味着等离子体中剩余的热核能比例将足以保持所需的温度，不再需要额外的等离子体加热。

Z-Pin

第一个计划获得受控热核反应的装置是所谓的Z-捏。最简单的情况是，该装置由两个电极组成，这些电极位于铀（氢-2）或铀和钛的混合物中，以及高压脉冲电容器的电池。乍一看，它似乎可以让你得到一个压缩等离子体加热到一个巨大的温度：正是热核反应需要的！然而，不幸的是，生活中的一切都远没有那么乐观。等离子线束被证明是不稳定的：其最轻微的弯曲导致一侧磁场的增强和另一侧的衰减，产生的力进一步增加线束的弯曲 -- 整个等离子体被"脱落"在腔室的侧壁上。线束不仅对弯曲不稳定，而且其最轻微的沉积导致磁场这一部分的放大，从而进一步挤压等离子体，将其拉伸到线束的剩余体积中，直到线束最终"转移"。传输的部分具有较大的电阻，因此电流断裂，磁场消失，整个等离子体消散。

Z-Pin的工作原理很简单：电流产生环形磁场，与同一电流相互作用并压缩。因此，电流流动的等离子体密度和温度增加。

电流托卡马克大半径（从整个托场中心到管道横截面中心的距离）与小（管道截面半径）的比率越小，在同一磁场下等离子体压力就越大。通过减少这种关系，科学家从等离子体和真空室的圆形截面过渡到D形（在这种情况下，小半径的作用是截面高度的一半）。在所有现代托卡马克，截面的形状都是这样的。一个极端的情况是所谓的"球形托卡马克"。在这样的电流中，真空室和等离子体几乎呈球形，除了连接球极的窄通道。磁线圈导体通过通道。第一个球形托卡马克，START，直到1991年才出现，所以这是一个相当年轻的方向，但它已经表明，它有可能得到相同的等离子体压力在三倍较小的磁场。

打孔龙，隐士，托卡马克

创造反应必要条件的另一种选择是所谓的开放磁陷阱。其中最著名的是"穿孔"：一个带有纵向磁场的管子，其末端被放大，中间变弱。放大的磁场会产生一个"磁塞"（俄语名称来源），或"磁镜"（英文为镜像），防止等离子体通过端部离开装置。然而，这种保留是不完整的，一些带电粒子沿着某些轨迹移动，似乎能够通过这些软木塞。由于碰撞，任何粒子迟早都会到达这样的轨道。此外，穿孔中的等离子体也不稳定：如果在某处从安装轴上移除一小块等离子体，则会产生将等离子体扔到腔室壁上的力量。虽然穿刺的基本概念已大大改善（这减少了等离子体的不稳定性和交通堵塞的渗透性），但在实践中，甚至无法接近能量优势合成所需的参数。

血浆不能穿过软木塞吗？一个看似显而易见的解决办法是把等离子体卷成一个环。然而，然后环内的磁场比外面的磁场更强，等离子体再次试图进入相机的墙壁。摆脱这种困难局面的出路似乎也相当明显：而不是环使八，然后在一个区域，粒子将离开安装轴，并在另一个 - 返回。这就是科学家想出第一个隐士的想法的方式。但是，这样的"八"不能在一个平面上完成，所以你必须使用第三个维度，在第二个方向弯曲磁场，这也导致粒子从轴逐渐离开相机的墙壁。

随着托卡马克工厂的建立，情况发生了巨大变化。20世纪60年代后半期，T-3电流机上的结果令人震惊，以至于西方科学家带着他们的测量设备来到苏联，亲眼看看等离子体的参数。现实甚至超出了他们的预期。

磁性透视

目前，热核能的大多数希望都与托卡马基有关。特别是打开后，它们具有更好的保持模式。托卡马克既卷成Z针环（等离子体上流动的环形电流产生保持它所需的磁场），也由收集到环中并产生"波纹"环形磁场的穿刺序列。此外，在线圈的托罗伊德场和等离子电流场上叠加一个垂直于托盘平面的场，由多个单独的线圈创建。这个额外的场称为空心场，放大了电头外侧的等离子体电流磁场（也是流体磁场），并在内部衰减了等离子体电流。因此，来自等离子线束四面的总磁场是相同的，其位置保持稳定。通过更改此附加字段，您可以在真空室内移动等离子线束。

完全不同的合成方法提出了缪斯催化的概念。Mün 是一种不稳定的基本粒子，其电荷与电子相同，但质量是电子的 207 倍。穆翁可以取代氢原子中的电子，原子的大小减小207倍。这允许一个氢原子核接近另一个原子核，而不必花费能量。但是，在获得一个缪恩上花费了大约10个GeV能量，这意味着需要每mymh产生几千次合成反应，以获得能量优势。由于缪恩可能"粘附"在反应中形成的氦气，目前还无法达到几百多种反应。这张照片是马克斯·普朗克等离子体物理研究所温德尔斯坦z-x隐形器的组装。

惯性希望

惯性合成也不会停滞不前。在激光技术的几十年发展中，激光效率提高了约十倍的前景。事实上，他们的力量已经提高了数百倍和数千倍。重型离子加速器的工作正在进行中，其参数适合热核应用。此外，"快速放火"的概念是惯性合成进展的一个关键因素。它涉及使用两个脉冲：一个压缩热核燃料，另一个加热一小部分。预计从一小部分燃料开始的反应随后将进一步蔓延，并覆盖所有燃料。这种方法可以显著降低能源成本，从而在反应燃料的较小比例下使反应有利可图。

托卡马科夫问题

尽管其他类型的装置取得了进展，但电流目前仍然处于竞争之外：如果两个电流（TFTR和JET）在20世纪90年代真正获得了热核能的分配，大约相当于等离子体加热的能量成本（尽管这种模式只持续了大约一秒钟），那么在其他类型的装置中，没有取得这样的成就。即使简单地增加电流卡马克的大小，也会使它们成为能源上有利可图的合成的可行性。目前正在法国建造一个国际ITER反应堆，必须在实践中证明这一点。

然而，托卡马克人也有很多问题。ITER价值数十亿美元，这是未来商业反应堆所不能接受的。没有一个反应堆连续运行了几个小时，更别提工业应用所需的周数和数月了。目前还不确定真空室内壁的材料能否承受长期的等离子体冲击。

强场托卡马卡概念可以降低项目成本。通过将现场放大两到三倍，计划在相对较小的安装中获得所需的等离子体参数。这一概念特别基于Ignitor反应堆，该反应堆现在开始在莫斯科附近的三一（三一创新和热核研究所）建造。如果工程师的计算得到证实，那么与ITER相比，该反应堆的价格要低得多，就会产生等离子点火。

往前走，向星星走去！

热核反应产区以每秒数千公里的速度飞向不同的方向。这使得制造超高效火箭发动机成为可能。它们的比脉冲将高于更好的电反应电机，而能耗甚至可能为负值（理论上，生产是可能的，而不是能源消耗）。此外，我们完全有理由相信，制造热核火箭发动机将比地面反应堆更容易：在产生真空、对超导磁铁进行隔热、对尺寸没有限制等方面没有问题。

静电保持

目前最成熟的是基于惯性合成的热核火箭发动机的概念。同时，发动机与反应器的区别在于磁场将带电反应产出引导到一个方向。第二种选择是使用一个开放的陷阱，其中一个交通堵塞被故意缓解。从中流出的等离子体将产生反应力。

热核未来

事实证明，掌握热核聚变比最初看起来要困难得多。虽然许多问题已经解决，但剩下的几十年将足以为成千上万的科学家和工程师的辛勤工作。但是，氢和氦同位素的转化前景如此之大，所走的道路已经如此重要，以至于中途停留是没有意义的。不管许多怀疑论者怎么说，未来肯定是要综合的。