一、核聚变概述1.核聚变（磁约束）简史1)"史前时期"(1920-1942)对聚变能量的研究最早可以追溯到20世纪20年代。

在那时，物理学家英国化学家阿斯顿（Aston，1877～1945）就已经测量了氦元素的"质量损失"现象：当时，阿斯顿正在剑桥卡文迪许实验室，利用他所创制的摄谱仪从事同位素的研究。

实验中他发现，氦-4质量比组成氦的4个氢原子质量之和少约1%左右。

几乎在同一时期，卢瑟福也提出，能量足够大的轻核碰撞后，可能发生聚变反应。

早在1920年，英国天体物理学家爱丁顿（Eddington，SirArthur Stanley 1882～1944）就预言：“有一天，人类将设法把核能释放出来，为人类造福。

”1929年英国的阿特金森（de Atkinson，R.）和奥地利的奥特斯曼（Houtersman，F.G.）联合撰文，证明氢原子聚变为氦的可能性，并认为太阳上进行的就是这种轻核聚变反应。

1934年，澳大利亚物理学家奥利芬特（Oliphant，Marcus Laurence Elwin 1901～）用氘轰击氘，生成一种具有放射性的新同位素氚，第一个人工实现了D-D 核聚变反应。

1938年美国就开始进行将等离子气体约束在磁场中的试验。

1942年，美国普渡大学的施莱伯（Schreiber）和金（King）又首次实现了D-T 核反应。

二战期间，美国洛斯阿拉莫斯实验室在研制原子弹的同时，也进行了早期核聚变反应的系统研究。

二战结束后，英国与前苏联也秘密地开展了受控核聚变研究工作。

（邓稼先1948年10月到普渡大学，1950年8月15日提交博士论文，8月20日答辩，8月29日回国。

邓稼先博士论文所有内容共48页）然而，实现这一目标却困难重重。

仅以D-D反应为例，氘核带正电，发生聚变反应必须克服库仑斥力，使两核接近到核子间距离，必须具备10keV以上的能量。

如果用加速器加速氘核，再使其轰击含氘的固体靶，加速氘核的绝大部分能量将损失在与电子碰撞的散射之中。

还有人提出用两束高能氘核对撞实现聚变。

这种想法很快被证明是行不通的，因为氘核在束中的平均自由程很大，两束氘核几乎是完全透明的。

要使氚束有足够的碰撞，氘核束的密度必须很高，然而密度极高的氘核束很难获得，即使成功地制备了这种高密度氘核束，在氘核的互撞中，不可避免的多次库仑散射，将使偏转角很快地累计达到90°，而使氘核偏转离开原有的束流散失殆尽。

在这种情况下，人们很自然地想到了无规则的热运动。

如果设法将一团氘核约束在一起，并加热使其到达足够的温度，核间频繁地碰撞，可望有核聚变发生。

2)先行者的时代(1946-1958)1952年，美国用原子弹爆炸的方法产生高温，第一次实现了大量氘、氚材料的核聚变。

但这种方法的效果是，在极短时间内使核聚变释放出巨大能量，产生强烈爆炸，即氢弹爆炸。

人类要和平利用核聚变，必须是可以受人工控制的核聚变---人工受控核聚变。

核聚变反应比较切实可行的控制办法是，通过控制核聚变燃料的加入速度及每一次的加入量，使核聚变反应按一定的规模连续或有节奏地进行。

因此，核聚变装置中的气体密度要很低，只能相当于常温常压下气体密度的几万分之一。

另外，对能量的约束要有足够长的时间。

二战末期，前苏联和美、英各国曾出于军事上的考虑，一直在互相保密的情况下开展对核聚变的研究。

几千万、几亿摄氏度高温的聚变物质装在什么容器里一直是困扰人们的难题，但不约而同都想到了利用磁场，尝试各种磁场约束形式。

二战结束后，爆发了核研究的国际性浪潮。

1946年，发生一个著名的事件：伦敦大学的Thomson和Blackman申请了一个聚变反应堆的专利。

尽管他们发明的设施总体上说过于乐观，但已经提出了一个环型真空室，以及由射频波产生的电流，而这正是现代的托卡马克装置的两个重要基石。

（上图，1946年Thomson和Blackman申请的"反应堆"专利）右图，1946年，Thoneman所的磁约束装置。

装置由金属和玻璃制成的圆环, 在牛津大学的Clarendon实验室50年代，冷战期间，聚变被视为最高机密。

美国，俄国和英国加强了他们在这方面的研究，法国，德国和日本在1955年稍晚的时候也加入了进来。

3)首次国际合作(1958-1968)经过了二十多年的努力，远未达到当初的乐观期望，理论上估计的等离子体约束时间与实验结果相差甚远。

人们开始认识到核聚变问题的复杂和研究的艰难。

在这种情况下，苏、美等国感到保密不利于研究的进展，只有开展国际学术交流，才能推进核聚变的深入研究。

另外，磁约束核聚变与热核武器在科学技术上没有重大的重叠，而且其商业应用的竞争为时尚早。

1958年是受控核聚变历史上的一个重要转折点，这一年在日内瓦召开了"和平利用原子能"会议，会议上揭开了秘密研究的面纱,各个国家报告了他们所工作的磁场位形：环型脉冲，仿星器，磁镜，Z和 箍束。

此时，研究工作为磁约束装奠定了基础，如同前苏联物理学家Artsimovitch（阿奇莫维奇）在会议闭幕时的致词："我们在这里，目睹着解决聚变反应堆所需的技术基础的曙光出现"。

物理学家们同时也意识到由于等离子体不稳定性，磁场约束损失等等，掌握核聚变技术成为一件很困难的事情。

物理学家E. Teller说："我想(受控核聚变)也许能做到，但我不认为在这个世纪它会有实际的重要性"。

自这次会议后，研究重点转向高温等离子体的基础问题。

4)托卡马克时代(1968－)早在50年代初，前苏联著名物理学家塔姆（Tamm，IgorYavgenyevich 1895～1971）就曾提出用环形强磁场约束高温等离子体的设想。

他认为，把强电流产生的极向磁场与环形磁场相结合，可望实现高温等离子体的磁约束。

受到这一思想的启发，莫斯科库尔恰托夫研究所的前苏联物理学家阿奇莫维奇（Artisimovich，Lev Andreevich 1909～1973）开始了这一装置的研究。

1954年，第一个托卡马克装置在前苏联库尔恰托夫原子能研究所建成。

他们在环形陶瓷真空室外套有多匝线圈，利用电容器放电，使真空室形成环形磁场。

与此同时，用变压器放电，使等离子体电流产生极向磁场。

后来，利用不锈钢真空室代替陶瓷真空室，又改进了线圈的工艺，增加了匝数，改进了磁场位形，最后成功地建成了托卡马克装置。

托卡马克这一名称由阿奇莫维奇命名。

托卡马克（TOKAMAK），在俄语中是由“环形”、“真空室”、“磁”、“线圈”几个词缩写组成（环形(to roidal)、真空室(ka mera)、磁(ma gnit)、线圈(k otushka)）。

（上图，莫斯科Kurchatov研究所的T1 Tokamak 装置）1968年，Kurchatov（库尔恰托夫）研究所的科学家发布了托卡马克（T1）的实验结果，其结果远超其它装置的参数指标。

1969年一个英国小组前往莫斯科，测量了T3托卡马克装置的温度，确定了他们的成果。

此时冷战正酣，这一里程碑式的事件开启了其他国家的托卡马克时代。

他们纷纷将自己实验室的磁约束装置转换为磁约束装置。

（例如：美国普林斯顿大学由仿星器-C改建成的ST Tokamak，美国橡树岭国家实验室的奥尔马克，法国冯克奈-奥-罗兹研究所的TFR Tokamak，英国卡拉姆实验室的克利奥（Cleo），西德马克斯-普朗克研究所的Pulsator Tokamak）但人们很快发现，约束等离子体的磁场，虽然不怕高温，但宏观稳定性不好。

要比人们预想的困难大得多。

另外，等离子体在加热过程中能量也不断损失。

从二十世纪六十年代中到七十年代，各国先后建成了很多实验装置，核聚变研究进入了一个新的高潮期，人们逐渐了解影响磁约束及造成能量损失的各种机理，摸索出克服这种不稳定性及能量损失的对策。

在磁约束研究方向上，托卡马克类型的磁约束研究领先于其它途径，在技术上最成熟，进展也最快。

在托卡马克装置上努力提高能量增益因子，即提高输出功率与输入功率之比一直是核聚变研究的重点目标之一。

到1970年，前苏联在托卡马克装置T－3上，利用强纵场克服等离子体的宏观不稳定性，得到了高标综合参数（离子、电子温度0.8Kev，等离子体密度3X10*13/cm*3,能量约束时间20ms。

）有可以察觉到的核聚变能量输出，能量增益因子Q值为十亿分之一，消除了世界上对核聚变研究的悲观情绪。

从二十世纪七十年代末开始，美、欧、日、苏开始建造四个大型托卡马克：●美国的托卡马克聚变实验反应器TFTR（The T okamak F usion T est R eactor）；●欧洲建在英国的欧洲联合环JET（Joint European Torus）；●日本的JT（Japanese Torus）－60；●原苏联的T－20（后来因经费及技术原因改为较小的T－15,采用超导磁体，没有正常运行）。

这四个装置在磁约束聚变研究中做出了里程碑式的贡献。

其中，有的装置把能量增益因子Q值提高到0.2,比十年前增加了两亿倍。

在和平利用核聚变的不懈探索中，理论研究和实验技术上遇到了一个又一个难题，进一步开展广泛国际合作是加速实现核聚变能利用的明智选择。

5)ITER（International Torus Experiment Reactor）计划1985年，美国里根总统和前苏联戈尔巴乔夫总统，在一次首脑会议上倡议开展一个核聚变研究的国际合作计划，要求“在核聚变能方面进行最广泛的切实可行的国际合作”。

后来戈尔巴乔夫、里根和法国总统密特朗又进行了几次高层会晤，支持在国际原子能机构（I AEA）主持下，进行国际热核实验堆（I TER）概念设计和辅助研究开发方面的合作。

这是当时也是当前开展核聚变研究的最重大的国际科学和技术合作工程项目。

1987年春，IAEA总干事邀请欧共体、日本、美国和前苏联的代表在维也纳（IAEA总部所在地）开会，讨论加强核聚变研究的国际合作问题，并达成了协议，四方合作设计建造国际热核实验堆。

国际热核实验堆是一个基于托卡马克方案的项目，主要目的是实现氘－氚燃料点火并持续燃烧，最终实现氘－氚燃料的稳定燃烧；证明利用核聚变发电是安全的，也不污染环境；另外也进行核聚变工艺技术一体化实验。

当时的设定指标：环形管的大环半径8米，管的半径3米，估计将产生热功率150万千瓦、等离子体电流达2400万安培，燃烧时间可达16分钟。

当时的时间表：预计2010年建成，计划投资达80亿美元。

未来发展计划包括一座原型聚变堆，在2025年前投入运行。

如果ITER获得成功，下一个目标是建造一座示范核聚变堆，并在2040年前投入运行。

2050年以后有望开发商用核聚变堆。