受控熱核反應

在高溫下使輕元素的原子核發生可控制的聚變反應而形成重元素原子核的過程。熱核反應過程中放出大量核能，這是太陽、恆星和氫彈的能量來源。受控熱核反應在可控制的條件下進行，反應過程不象氫彈那樣猛烈，釋放出來的能量可以轉換為電能。海水中含有大量的氘（氫的同位素），可作為熱核反應的燃料，如果受控熱核反應一旦實現，將使人類獲得一種幾乎取之不盡的能源。受控熱核反應從20世紀50年代初開始研究，取得了很大的進展，但仍停留在實驗室研究階段。不過這方面的研究工作已經有力地推動了磁流體力學和等離子體動力學的發展。

受控熱核反應條件 受控熱核反應研究的第一步是實現點火。所謂點火是指聚變產生的功率等於等離子體輻射損失的功率，這是受控熱核反應實際進行時的最低要求。J.D.勞孫給出的判據（勞孫判據）為：對氘-氘反應，溫度高於2億開,nτ≥1016(秒/厘米3)；對氘-氚反應，溫度高於5000萬開,nτ≥1014(秒/厘米3)；其中n為每立方厘米等離子體中所含原子核的個數；τ為等離子體能量約束時間。換句話說，點火條件是把等離子體加熱到5000萬開至2億開的高溫，並使一定密度的等離子體維持足夠長的時間。受控熱核反應的這一步，目前尚未完全達到。

受控熱核反應實驗裝置 產生受控熱核反應的實驗裝置有兩大類：

①慣性約束裝置　不用特殊方法維持或約束等離子體的裝置。用激光束或電子束、離子束等照射固態氘或其他燃料製成的小球靶，在對稱激光束的輻射下，小球靶向中心爆聚。當小球靶的溫度高於一億開，密度比固體高几千倍以上時，就會產生受控熱核反應。實質上，這種熱核反應就相當於微型氫彈爆炸，而“慣性約束”就意味著不約束。

慣性約束涉及很多等離子體動力學問題，如激波加熱問題。在爆聚過程中，如果只有單個激波，最大壓縮時的密度只能增加3倍；如果對激光束的輸出功率進行調製，使等離子體產生一系列激波，並在所要求的時間內同時收縮到中心（靶心），則可使密度增大1000倍。要達到這種效果，大約需要7個激波。這樣的時間控制，已在實驗室中實現。慣性約束中的等離子體穩定性問題也是等離子體動力學研究的問題之一。由於爆聚過程相當於輕流體驅動重流體作加速運動，會產生瑞利-泰勒不穩定性（見磁流體力學穩定性）。其後果不僅使爆聚失去對稱性，影響壓縮比，而且會產生強烈混合，降低燃燒率。這是實現激光核聚變的主要障礙之一。

②磁約束裝置　用強磁場使高溫等離子體與容器器壁隔開的裝置，有托卡馬克（見磁流體靜力學）、磁鏡、仿星器和角箍縮等。托卡馬克是研究得最普遍的一種，實驗數據也和勞孫判據最接近。

學者們曾提出多種把等離子體加熱到高溫的方法。首先是歐姆加熱法，即用大電流通過等離子體，等離子體由於具有一定電阻而產生熱效應，溫度因而升高。但是溫度升到一定程度，電阻便下降，所以此法一般只能加熱到1000萬開左右。其次是磁壓縮法，即用逐漸增強的磁場來壓縮等離子體，以達到加熱的目的。目前最有效的加熱法是注入中性束，即把高能的中性粒子束（如氘粒子束）透過磁場注入等離子體，從而提高等離子體的溫度。採用這種方法,1981年美國的托卡馬克PLT裝置已能達到8000萬開的高溫。目前正在研究的是波加熱法，即把各種不同頻率的波入射到等離子體中，通過共振使等離子體加熱。

被磁場包圍(約束)的高溫等離子體的一個固有特性是磁流體力學不穩定性。經過多年研究，已提出一些有效的方法來抑制磁流體力學不穩定性的發生。例如，在等離子體中加上強縱向磁場，在強縱向磁場外面加上良導體壁，設計某些特殊的磁場位形，等等（見磁流體力學穩定性）。

參考書目

S.Glasstone and R.H.Lovberg,Controlled Thermo-nuclear Reactions， Van Nostrand Co., Princeton, New Jersey,1960.

H.Metz，The Physics of Laser Fusion， AcademicPress,London, 1979.

M.Murakami　and　H.P. Eubank, Recent　Progressin Tokamak Experiments,Physics Today, pp. 25～32,May 1979.