1957年，蘇聯，一項關于人類「終極能量」的研究計劃秘密展開。彼時，各大國研發核武器的競賽焦灼進行，短短幾年内，美、蘇、英試爆氫彈成功。人類都被這種龐大力量所震顫：核聚變（Nuclear Fusion）——目前人類技術所能觸達的能量上限，也是太陽的能量來源。

在氫彈研究的同時，激進的蘇聯科學家們，想到了收集核聚變的能量的用于發電。它能效極高、原料易得，幾乎不産生污染，誰駕馭了這種力量，誰就有能力推動人類進入新紀元。人類如何利用可控核聚變制造終極能源？

當氘原子和氚原子聚合，會生成兩個質子和兩個中子組成的氦原子，并釋放一個多餘的中子，産生約 17.6 MeV 的能量。1 克聚變核燃料釋放的能量相當于 8 噸石油完全燃燒。但要想在地球上和平地實現氘氚聚變，必須滿足一個苛刻條件——勞森判據（Lawson Criterion），即密度、溫度、約束時間的乘積達到3×10^21 keV·s·m^-3，這就需要将核燃料加熱到 1 億攝氏度以上，形成等離子體。

這是物體固、液、氣之外的又一種狀态，高溫會使電子會擺脫原子核的束縛，形成自由粒子。在等離子體中，電子帶負電，失去電子的原子即離子帶正電，它們均勻混合在一起，整體呈電中性。

但是，地球上沒有任何一種材料能夠承載 1 億度的高溫。不過利用磁場可以「隔空」約束它們，讓它們懸浮起來。在平直均勻的磁場中，粒子受洛倫茲力将沿着磁場方向做螺旋線運動，其中帶正電的離子這樣轉，而帶負電的電子這樣轉。

想要讓核燃料等離子體無限運動下去，我們可以制造一個半徑為 R 的環形磁場 B。根據安培環路定理，這需要用一組通電線圈排成這樣的大環狀。

然而在實際中，通電線圈内的磁場并不均勻，環路内側比外側半徑小，導緻内側磁感應強度比外側大，磁感應強度梯度 ▽B 指向圓環中心。

根據麥克斯韋方程，在真空中，磁感應強度梯度 ▽B 和彎曲磁場，會給粒子注入垂直于運動方向的動能 W⊥，和平行于運動方向的動能 W∥，讓粒子們漸漸偏離磁感線方向，這一稱現象被稱為「粒子漂移」。因為離子和電子的漂移方向相反，漸漸地，核燃料中的離子将聚集到上部，而電子将聚集到下部。

這個問題很緻命。正負電荷的分離，将産生一個垂直向下的「幽靈」電場E。它将和環向磁場 B 共同作用，對粒子産生一個指向螺線管外的速度分量，上億度的核燃料将會被甩出來。該怎麼辦？這時就需要第二組通電線圈，套在環形磁場 B 外。它可以産生一個豎直方向的磁場 B'，B 和 B' 兩個磁場合成一個環繞大軸的螺旋形磁場。

聚集在下部的電子可以沿着螺旋磁場轉到上部與離子混合，同樣聚集在上部的離子也可以轉到下部。粒子們攪拌均勻，「幽靈」電場 E 就消失得無影無蹤。參考《計算等離子體物理導論》，我們用 MATLAB 模拟了理想狀态下核燃料粒子的其中一種運動軌迹。在不考慮粒子間相互作用的前提下，粒子沿着這樣的軌迹懸浮運動，完全不會洩漏出來。

成功束縛住核燃料後，就要考慮核燃料的點火和加熱了。這需要在裝置中心添加第三組通電線圈——中心螺管線圈。它能夠提供一個穿過核燃料環快速變化的磁通，在核燃料中感應出一個環向電動勢，擊穿形成等離子體，并在其内部産生感應電流。電流産生的歐姆熱能使得核燃料不斷增溫，配合射頻電磁波和中性粒子束注入等各種輔助加熱手段，最終使核燃料達到 1 億度聚變條件，點燃人造太陽。

這就是托卡馬克（Токамак），一種最有可能讓人類實現可控核聚變的構型。由蘇聯科學家在上世紀50年代提出，取自環形（тороидальная）、真空室（камера）、磁（магнитных）、線圈（катушках）四個俄文詞的縮寫。

1958 年，蘇聯研制成功人類第一個托卡馬克裝置 T-1。十年後，蘇聯向外界披露，最新版托卡馬克裝置 T-3 實現了 1000 萬攝氏度等離子體放電，震驚了全世界。從此，托卡馬克作為實現可控核聚變的最主要「科技樹」，被各國采納并沿用。2018 年 7 月，中國自主研制的全超導托卡馬克裝置 EAST「東方超環」，首次實現電子溫度 1 億攝氏度運行近 10 秒。

為此，我們現場連線了中科院等離子體物理研究所的王騰博士，請他給我們介紹一下 EAST 相較于以往托卡馬克裝置的特别之處。王騰：為了實現對超高溫等離子體的長脈沖約束，「東方超環」EAST 首次将托卡馬克中線圈，全部采用铌钛超導材料繞制。這些線圈工作在零下 269 攝氏度的超低溫中，從而進入超導态能夠産生約束的強磁場并保持足夠長的時間，從而大幅提升裝置性能。一邊是零上 1 億度的超高溫等離子體，另一邊是零下 269 度的超低溫線圈。二者之間最近距離，隻隔了短短 1 米左右。如此大的溫差在人類創造史上絕無僅有。

未來的下一步，就是将托卡馬克擴展為能夠取出能量用于發電的聚變反應堆。這張圖介紹了聚變反應堆的一種可能的構型，利用氘氚聚變産生的中子轟擊外側包層中的氘化锂-6，可持續産生自然界相對不易獲得的氚，并維持聚變。随着未來外太空采礦技術發展，還可以利用月壤中廣泛存在的氦-3 代替氚，使聚變更高效。

聚變能量被熱交換裝置取出後，推動汽輪機轉動最終發出電能。中國計劃在 2035 年建成「聚變工程試驗堆」。如果一切順利，「聚變商業示範堆」将在 2050 年落成。相信在不遠的未來，人類馴化核聚變将成為現實。

而回到當下，中國的 EAST「東方超環」将于近期完成升級改造，挑戰芯部電子溫度 1 億度穩定運行 100 秒的世界紀錄，将中國的可控核聚變技術推向新高度。

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