之前我们发布了能量奇点的核聚变装置洪荒-70等离子体成功放电这一重大突破的消息，引起了众多读者朋友的广泛关注，很多朋友留言询问放电代表了什么？是不是Q值>1啦？今天我们就来带大家了解下核聚变反应的关键步骤和产业化过程。
核聚变反应的关键步骤
等离子体放电
洪荒-70，摘自能量奇点
等离子体放电是核聚变研究中的一个重要阶段，它标志着等离子体的生成和控制过程的开始。在核聚变反应中，等离子体的产生是实现核聚变反应的前提条件之一。等离子体被称为物质的第四态，由电子、离子和中性原子组成，具有高度电离的特性。在核聚变领域，等离子体放电通常指的是在特定装置（如托卡马克或仿星器）中通过外加电场或磁场使气体电离并形成等离子体的过程。
等离子体的加热
等离子体需要被加热到超过一亿摄氏度的高温，以克服原子核之间的电荷排斥力，使它们能够接近到足够的距离以发生核聚变反应。以下是我们常见的等离子体加热方式：
-欧姆加热：这是最基本的辅助加热方式，通过在等离子体中通入电流，利用焦耳热效应来加热等离子体。但由于等离子体的电阻随温度的升高而降低，这种方法在高温下效率有限。
将一定量的工作气体注入到真空室中，并向欧姆磁场线圈通入电流，会产生一个新磁场，摘自星环聚能官网，图源：回形针PaperClip，版权归原作者所有
-射频加热：利用射频波（如微波或射频）来加热等离子体。这些波可以与等离子体中的带电粒子相互作用，将能量传递给它们。射频加热可以进一步分为几种不同的模式，如离子回旋共振加热（ICRH）和电子回旋共振加热（ECRH）。
-中性束注入：这种方法使用高能中性原子束，这些原子在进入等离子体后会迅速电离并与等离子体中的粒子发生弹性碰撞，将能量传递给等离子体。NBI是提高等离子体温度和密度的有效手段。
中性束注入系统工作原理图
-激光加热：使用高功率激光将能量直接注入到等离子体中。在惯性约束聚变（ICF）中，激光加热是实现高温高压等离子体的主要手段。
-阿尔芬波加热：利用等离子体中的阿尔芬波来传递能量。这种波可以通过与等离子体的相互作用来加热等离子体，是一种非直接接触的加热方式。
-压缩加热：在惯性约束聚变中，通过快速压缩燃料来增加其温度和压力，从而实现加热。这种方法通常与激光或粒子束驱动的压缩相结合。
-磁压缩加热：利用磁场的变化来压缩等离子体，从而增加其温度。这种方法在某些磁约束聚变设备中使用。
每种加热方法都有其优势和局限性，实际应用中可能需要结合多种加热技术来达到最佳的加热效果。例如，在国际热核聚变实验堆（ITER）项目中，将使用欧姆加热、射频加热和中性束注入等多种方法来加热等离子体，以实现核聚变反应。等离子体加热是一个高度复杂的过程，需要精确的控制和先进的技术来实现。
等离子体的约束
等离子体约束是核聚变研究中的一个核心挑战，它涉及到使用不同的方法来控制高温等离子体，防止其与反应器壁接触，从而维持足够高的温度和压力以进行核聚变反应。以下是2种主要的等离子体约束技术的简单介绍：
-磁约束：磁约束是利用磁场来控制等离子体的方法。由于等离子体是带电粒子的集合，它可以被磁场线引导和约束。磁约束有一些分支，比如磁镜、场反向配置等，我们前期介绍的托卡马克、仿星器都属于磁约束聚变装置。托卡马克（Tokamak）：这是一种环形的磁约束装置，使用外部线圈产生环形磁场，同时等离子体电流产生额外的磁场，共同作用以约束等离子体。
仿星器（Stellarator）：与托卡马克不同，仿星器使用复杂的外部磁场线圈系统来产生扭曲的磁场，以稳定地约束等离子体，而不需要等离子体电流。这部分内容可在我们前几期的核聚变一百问中找到详细的介绍，也可以通过点击文末推荐阅读来做了解。
-惯性约束：虽然惯性约束不是直接的等离子体约束方法，但它是实现核聚变的一种途径。通过使用高能激光或粒子束快速压缩小型燃料靶，可以在极短时间内达到极高的温度和压力，触发核聚变反应。
等离子体约束技术的选择取决于多种因素，包括所需的等离子体参数、反应器的规模、工程实现的复杂性以及经济性等。目前，托卡马克和仿星器是两种最成熟且最有前途的磁约束聚变反应堆设计。核聚变研究的最终目标是开发出能够实现持续、稳定、经济的核聚变能源生产的技术。
核聚变点火
核聚变点火是指在核聚变反应中，产生的能量超过了输入的能量，即实现了能量增益。这通常涉及到将两个较轻的原子核，如氢的同位素氘和氚，融合形成一个较重的原子核，如氦，同时释放出巨大的能量。核聚变点火是实现可控核聚变的关键步骤，因为只有当反应产生的能量超过激发反应所需的能量时，才能实现自持的聚变反应，从而为人类提供几乎无限的清洁能源。
NIF
在这个过程中点火条件涉及温度、密度与约束时间，这就是我们平时所说的三乘积。温度：核聚变需要极高的温度，通常在1亿摄氏度以上，这样高的温度能够使得氢的同位素（如氘和氚）的原子核具有足够的动能来克服电荷间的排斥力，从而发生碰撞和聚变。密度：等离子体中粒子的密度必须足够高，以增加核聚变反应发生的概率。约束时间：等离子体必须在足够长的时间内保持高温和高密度状态，以使聚变反应有足够的时间进行。
2022年12月14日LLNL在核聚变领域取得的历史性突破，首次实现了可控核聚变点火成功。美国的可控核聚变实验NIF已经成功“点火”了四次，并登上了Nature杂志。
核聚变点火是实现可控核聚变能源的关键步骤，一旦实现，将为人类提供几乎无限的清洁能源。然而，这是一个极其复杂的过程，需要精确的控制和先进的技术。目前，国际热核聚变实验堆（ITER）等大型实验项目正在努力实现这一目标。
能量的提取和转换：
在核聚变反应中，能量的提取和转换尤为关键，它涉及到将聚变反应释放的能量转化为可用的电能或其他形式的能量。
核聚变主要通过轻原子核的融合释放能量，这个过程产生的能量主要以高速移动的中子和α粒子（通常是氦-4核）的形式存在。中子在聚变反应中不参与电离，因此它们可以携带大量的能量逃逸。在聚变反应堆中，中子可以被慢化剂材料（如重水或普通水）慢化，然后被周围的结构材料或专门的“产热元件”吸收。当中子被慢化并被材料吸收时，它们通过弹性散射和其他相互作用将能量传递给材料中的原子，从而加热材料并产生热能。产生的热能可以通过热传导、对流或辐射的方式传递到反应堆的冷却系统中，通常是通过冷却剂（如水或气体）循环来吸收热量。热能通过热机循环转换为机械能，然后转换为电能。最常见的热机循环包括朗肯循环（Rankine cycle），在该循环中，冷却剂在锅炉中被加热，然后在涡轮机中膨胀做功。涡轮机利用热能产生的蒸汽或气体压力推动涡轮旋转，涡轮机轴连接到发电机，通过电磁感应在发电机中产生电流。能量转换过程中会有一定的损失，因此核聚变反应堆的热效率通常低于100%。提高热机循环的效率是核聚变反应堆设计中的一个重要目标。
核聚变反应的能量提取和转换过程需要精心设计和控制，以确保安全、高效地将聚变能转换为电能。随着技术的发展，未来核聚变反应堆有望实现更高的能量转换效率和更低的环境影响。
核聚变产业化进程
再说到核聚变产业化进程，中核近期在其第二届上市公司集中投资者交流季活动表示：“可控核聚变商业化的道路仍然漫长。”同时强调：“我们必须认识到，目前的成就仅仅是在实验室条件下实现了聚变反应，距离真正的工程应用还有一段距离。这还只是科学和技术探索的初步阶段。目前，中国在核聚变研究领域已经跻身国际前列，与欧美国家齐头并进。”
中核集团，全称中国核工业集团有限公司（China National Nuclear Corporation，CNNC），是中国最大的国有核能企业之一，也是国家核科技工业的主体。中核集团在中国核能开发和利用方面发挥着领导作用，负责核电站的设计、建造、运营和管理。作为国家核科技研发的重要基地，中核集团在核技术研究和开发方面具有深厚的实力，涉及核物理、核材料、核燃料等多个领域。中核集团运营着中国多个核电站，提供了国家大部分的核电产量，对保障国家能源安全和推动能源结构转型具有重要作用。
作为核能领域的主要企业，中核集团参与国家核能政策的制定和规划，对国家能源政策和核能发展战略有重要影响。中核集团已经规划了实现可控核聚变的“三步走”战略：首先建设先导工程实验堆，然后是示范堆，最终实现商用堆。目前，集团正在积极进行第一步的准备工作。
工程实验堆（先导堆）：
这是路线图的第一步，主要目的是验证聚变能源的科学原理和基础技术。实验堆将进行小规模的聚变实验，测试不同的聚变方法和材料，以及聚变反应的物理过程。这个阶段的设施通常不以产生能源为主要目的，而是作为研究和开发平台，为后续阶段的工程和技术打下基础。
工程实验堆示例
国际热核聚变实验反应堆（ITER）: 虽然不是小规模的实验堆，但ITER是目前最接近大型聚变实验堆的项目，它是一个国际合作项目，旨在验证聚变能源的科学和工程可行性。
JT-60SA: 这是日本在ITER框架下的一个升级项目，用于支持ITER实验并进行相关的研究。
示范堆：
在成功完成先导实验堆的测试和验证之后，下一步是建造一个示范堆。示范堆是中等规模的设施，用于展示聚变能源技术在实际条件下的性能和可行性。这个阶段的设施将更接近商业化，可能会产生电力，但主要目标是展示技术成熟度和经济可行性。
示范堆示例
CFETR: CFETR计划分三步走，完成“中国聚变梦”。第一阶段到2021年，CFETR开始立项建设；第二阶段到2035年，计划建成聚变工程实验堆，开始大规模科学实验；第三阶段到2050年，聚变工程实验堆实验成功，建设聚变商业示范堆。
商用堆：
最后一步是设计和建造商用堆，这是一个完全商业化的聚变电厂。商用堆将大规模生产电力，以竞争性的成本和效率满足市场需求。这个阶段的设施将涉及大规模的工程建设、运营和维护，以及满足所有相关的安全和监管要求。
商用堆示例
目前还没有实际的商用聚变堆。不过，许多国家和组织正在研究和设计未来的商用聚变堆概念，例如：
SPARC: 麻省理工学院等机构合作的一个项目，旨在建立一个紧凑的聚变实验堆，作为向商用聚变堆过渡的一步。
在未来的道路上，我们将继续见证核聚变技术的突破和发展。这不仅是科技的胜利，更是人类对于可持续发展和美好未来的不懈追求。在此，我们感谢每一位关注和支持核聚变研究的朋友。是你们的理解和期待，让这项伟大的事业充满动力和希望。