2025年高中物理知識(shí)競(jìng)賽等離子體物理與受控核聚變測(cè)試（三）一、等離子體物理基礎(chǔ)等離子體作為物質(zhì)的第四態(tài)，是由大量自由電子和正離子組成的電離氣體，整體呈電中性但具有良好的導(dǎo)電性。在自然界中，太陽(yáng)、恒星、閃電和極光等現(xiàn)象都與等離子體密切相關(guān)。當(dāng)氣體溫度升高到數(shù)萬(wàn)開爾文以上時(shí)，分子或原子會(huì)因劇烈碰撞而離解為電子和正離子，形成等離子體狀態(tài)。這種狀態(tài)下，粒子的熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能極高，其運(yùn)動(dòng)行為同時(shí)受到電磁力和熱運(yùn)動(dòng)的支配，展現(xiàn)出與常規(guī)氣體截然不同的物理特性。等離子體的約束技術(shù)是受控核聚變研究的核心挑戰(zhàn)之一。由于等離子體溫度可達(dá)上億攝氏度，任何固體容器都無(wú)法直接承載，因此需要通過特殊手段實(shí)現(xiàn)約束。磁約束是目前最成熟的技術(shù)路徑，利用洛倫茲力使帶電粒子在磁場(chǎng)中做螺旋運(yùn)動(dòng)。托卡馬克裝置采用環(huán)形磁場(chǎng)與螺旋磁場(chǎng)疊加的方式，使等離子體沿環(huán)形軌道穩(wěn)定運(yùn)行，中國(guó)EAST裝置通過這種方式實(shí)現(xiàn)了1億攝氏度1066秒的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。慣性約束則通過高功率激光或粒子束瞬間壓縮燃料靶丸，利用慣性使聚變反應(yīng)在燃料飛散前完成，美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF）在2022年實(shí)現(xiàn)了聚變能量增益大于1的突破。等離子體的診斷技術(shù)包括湯姆遜散射、光譜分析和磁探針測(cè)量等。湯姆遜散射通過激光與等離子體中電子的相互作用，可精確測(cè)量電子溫度和密度分布；光譜分析則利用等離子體輻射的特征譜線，反推離子種類和電離狀態(tài)；磁探針則能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等離子體電流和磁場(chǎng)形態(tài)的變化。這些診斷手段為研究等離子體不穩(wěn)定性、能量約束時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。二、核聚變?cè)砼c反應(yīng)動(dòng)力學(xué)核聚變是輕原子核結(jié)合成較重原子核并釋放能量的過程，其能量來源于原子核的質(zhì)量虧損。根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程E=Δmc2，當(dāng)氘核（2H）與氚核（3H）聚變成氦核（?He）時(shí)，質(zhì)量虧損約為3.1×10?2?kg，對(duì)應(yīng)釋放17.6MeV的能量。與核裂變相比，核聚變具有原料豐富、產(chǎn)物清潔、無(wú)高放射性廢物等優(yōu)勢(shì)，氘在海水中的儲(chǔ)量約為33mg/L，足夠人類使用上億年。實(shí)現(xiàn)受控核聚變需要滿足勞森判據(jù)，即等離子體溫度（T）、密度（n）與能量約束時(shí)間（τ）的乘積需達(dá)到閾值。對(duì)于氘氚聚變，勞森判據(jù)通常表示為nτ≥102?m?3·s，溫度需超過1億攝氏度。這一條件的本質(zhì)是克服原子核間的庫(kù)侖斥力，使核力能夠發(fā)揮作用。在高溫等離子體中，粒子動(dòng)能足以克服庫(kù)侖勢(shì)壘，通過量子隧穿效應(yīng)實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)。典型的聚變反應(yīng)包括：氘氚聚變：2H+3H→?He+n+17.6MeV（最易實(shí)現(xiàn)，是目前實(shí)驗(yàn)裝置的主要反應(yīng)方式）氘氘聚變：2H+2H→3He+n+3.27MeV或2H+2H→3H+p+4.03MeV（燃料獲取更容易，但反應(yīng)截面較小）氦三聚變：3He+3He→?He+2p+12.86MeV（產(chǎn)物無(wú)中子，輻射危害小，但燃料稀缺）反應(yīng)截面是描述聚變反應(yīng)概率的關(guān)鍵參數(shù)，它與入射粒子能量密切相關(guān)。氘氚反應(yīng)在入射能量為65keV時(shí)截面達(dá)到最大值約5barn（1barn=10?2?m2），這也是聚變裝置將離子加速到該能量范圍的重要原因。等離子體中的帶電粒子通過庫(kù)侖碰撞實(shí)現(xiàn)能量交換，電子通過軔致輻射損失能量，因此需要持續(xù)的能量輸入以維持高溫狀態(tài)。三、實(shí)驗(yàn)裝置與技術(shù)突破全超導(dǎo)托卡馬克裝置（EAST）是中國(guó)核聚變研究的旗艦設(shè)施，其核心部件包括超導(dǎo)磁體系統(tǒng)、真空室、加熱系統(tǒng)和診斷系統(tǒng)。EAST采用NbTi/Cu和Nb?Sn/Cu超導(dǎo)材料，產(chǎn)生的環(huán)形磁場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)3.5T，等離子體電流容量達(dá)5MA。2025年1月，EAST實(shí)現(xiàn)1億攝氏度1066秒穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)脈沖運(yùn)行，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄，其關(guān)鍵技術(shù)突破包括：全超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，解決了大電流下的磁體失超保護(hù)問題高功率中性束注入系統(tǒng)，單束功率達(dá)7兆瓦，實(shí)現(xiàn)等離子體中心加熱先進(jìn)偏濾器技術(shù)，有效排除氦灰和雜質(zhì)，降低器壁負(fù)載中國(guó)環(huán)流三號(hào)（HL-2M）是新一代托卡馬克裝置，2025年3月實(shí)現(xiàn)原子核溫度1.17億度、電子溫度1.6億度的“雙億度”突破。其創(chuàng)新點(diǎn)在于采用了更優(yōu)化的磁約束位形和高功率微波加熱系統(tǒng)，2.5兆瓦的電子回旋共振加熱（ECRH）系統(tǒng)通過特定頻率的微波與電子共振，將電子溫度提升至1.6億度。這種“雙溫等離子體”狀態(tài)為研究極端條件下的聚變反應(yīng)動(dòng)力學(xué)提供了新的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃是全球規(guī)模最大的國(guó)際科技合作項(xiàng)目，參與方包括中國(guó)、歐盟、美國(guó)、俄羅斯等35個(gè)國(guó)家和地區(qū)。ITER裝置等離子體體積達(dá)840m3，是EAST的50倍，設(shè)計(jì)目標(biāo)為500兆瓦聚變功率輸出，持續(xù)時(shí)間400秒。其核心技術(shù)挑戰(zhàn)包括：氚增殖包層的設(shè)計(jì)與制造，實(shí)現(xiàn)氚的自持供應(yīng)第一壁材料的抗輻照性能，需承受10MW/m2的熱負(fù)荷超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的集成，環(huán)向場(chǎng)磁體單匝電流達(dá)46kA四、能量計(jì)算與應(yīng)用拓展核聚變能量計(jì)算涉及質(zhì)量虧損分析、反應(yīng)率計(jì)算和能量轉(zhuǎn)換效率評(píng)估。以EAST裝置為例，假設(shè)等離子體體積為80m3，電子密度為101?m?3，氘氚離子各占50%，則每立方米等離子體中約含6.02×101?個(gè)燃料核。若約束時(shí)間為1000秒，聚變反應(yīng)率可通過公式R=nvσ計(jì)算，其中v為熱運(yùn)動(dòng)速度，σ為反應(yīng)截面。對(duì)于溫度1億攝氏度的氘氚等離子體，σ≈10?2?m2，v≈10?m/s，可得R≈1021m?3·s?1，總反應(yīng)數(shù)約8×102?次，釋放能量約2.3×10?J，相當(dāng)于640度電。結(jié)合能與比結(jié)合能是評(píng)估核聚變能量釋放的重要參數(shù)。原子核的結(jié)合能是將核子分開所需的能量，比結(jié)合能則是結(jié)合能與核子數(shù)的比值，反映原子核的穩(wěn)定性。氦核的比結(jié)合能約為7.1MeV/核子，高于氘（1.1MeV/核子）和氚（2.8MeV/核子），因此聚變反應(yīng)會(huì)釋放能量。比結(jié)合能曲線在鐵元素達(dá)到峰值，這也是重核裂變和輕核聚變均能釋放能量的原因。聚變能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要考慮能量轉(zhuǎn)換效率。聚變反應(yīng)釋放的能量中，80%以中子動(dòng)能形式存在，需要通過鋰增殖包層將中子動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，再通過蒸汽輪機(jī)發(fā)電。整個(gè)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率約為30%-40%，此外還需扣除裝置運(yùn)行所需的能量輸入，包括磁場(chǎng)系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和真空系統(tǒng)等。目前EAST裝置的能量增益因子（Q值）約為0.1，而商用聚變堆需Q>10才能實(shí)現(xiàn)凈能量輸出。五、前沿挑戰(zhàn)與未來展望等離子體不穩(wěn)定性是制約聚變裝置運(yùn)行的主要障礙，包括磁流體不穩(wěn)定性（MHD）、微觀湍流和ELM（邊緣局域模）等。MHD不穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致等離子體與器壁碰撞，造成能量損失和器壁損傷；微觀湍流則會(huì)增強(qiáng)粒子和能量的徑向輸運(yùn)，降低約束時(shí)間。通過施加外部擾動(dòng)磁場(chǎng)或優(yōu)化等離子體剖面，可有效抑制這些不穩(wěn)定性。EAST裝置采用的“鋸齒?？刂萍夹g(shù)”成功將能量約束時(shí)間延長(zhǎng)了30%。材料科學(xué)在聚變工程中具有關(guān)鍵地位。第一壁材料需要同時(shí)承受高溫、高能中子輻照和等離子體沖刷，目前候選材料包括鎢合金、碳化硅復(fù)合材料和液態(tài)金屬鋰。鎢的熔點(diǎn)高達(dá)3422℃，但在中子輻照下會(huì)產(chǎn)生脆化和腫脹；液態(tài)金屬鋰則具有自修復(fù)能力，同時(shí)可作為氚增殖劑，但需要解決流動(dòng)控制和腐蝕問題。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所開發(fā)的納米結(jié)構(gòu)鎢材料，在輻照實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出優(yōu)異的抗腫脹性能。氚自持是聚變堆商業(yè)化的前提條件。自然界中幾乎不存在天然氚，需通過鋰的中子增殖反應(yīng)（?Li+n→3H+?He）來生產(chǎn)。ITER裝置設(shè)計(jì)的氚增殖包層采用陶瓷氚增殖劑與鈹中子倍增劑的組合，預(yù)計(jì)氚增殖比可達(dá)1.1。此外，氚的儲(chǔ)存、運(yùn)輸和處理需要嚴(yán)格的安全措施，目前主要采用金屬氚化物（如鈦氚化物）作為儲(chǔ)存介質(zhì)。聚變能源的應(yīng)用場(chǎng)景不僅限于電力生產(chǎn)。在空間探索領(lǐng)域，聚變推進(jìn)系統(tǒng)比傳統(tǒng)化學(xué)火箭具有更高的比沖（可達(dá)10?s），可大幅縮短深空探測(cè)的時(shí)間；在工業(yè)領(lǐng)域，聚變中子源可用于材料輻照測(cè)試、放射性廢物嬗變和同位素生產(chǎn)。中國(guó)核能創(chuàng)新研究院正在開發(fā)的“緊湊型聚變neutron源”，預(yù)計(jì)2030年前建成，用于癌癥治療和新材料研發(fā)。隨著EAST、HL-2M等裝置的持續(xù)突破，以及ITER計(jì)劃的推進(jìn)，聚變能源商業(yè)化正從夢(mèng)