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为什么太阳核聚变不需要控制而人工核聚变却需要强磁场约束?
核聚变反应如果失去控制,只能在一瞬间爆炸,成为一颗爆炸的氢弹。太阳和其他恒星的核聚变反应能够长久稳定,原因是恒星具有巨大的质量,强大的引力对内的压力抵消了核聚变产生的巨大的向外的压力,形成了压力平衡。
这个压力平衡一方面使物质不会炸开来,一方面形成内部强大而稳定的压力使核聚变得以发生。所以恒星内部由引力精确控制着核聚变反应。直到恒星燃料消耗殆净时(太阳将于大约100亿年后到达这个状态)这个平衡被打破,变成红巨星等不稳定状态。
人工核聚变不可能有那么多的材料形成那样巨大的引力来建立压力平衡,所以只有找其他办法。托卡马克装置的磁场约束现在看来是唯一可行的方案。
核聚变有一个物理上的判据,叫做劳森判据,这个判据是 John D. Lawson 在1955年推导出来的,然后在1957年发表。这个判据对核聚变的电子数密度,持续时间以及等离子体温度的乘积给出了一个下限。要让核聚变能够持续维持,必须实现产生的能量大于损失的能量,否则就熄火了。劳森判据就给出了不熄火的条件。在这里,核聚变产生能量,而辐射损失与传导损失消耗能量。
对于太阳来说,满足劳森判据的重要原因在于巨大的万有引力,万有引力把等离子体束缚在了一起,提高了核聚变的电子数密度。而你提到的人工核聚变需要强磁场约束,这个也是正常的,因为当我们没有引力场的时候,我们唯一可以利用的就是电磁场,所以一般的人工核聚变需要强磁场约束,这个装置叫做tokamaks 装置。Tokamaks装置在1950年代由苏联物理学家 Igor Tamm 与 Andrei Sakharov发明,它的主要结构看起来有点像自行车的内胎,当然尺寸要大很多。在俄语Tokamaks这个词的意思是“在磁线圈中的环形室”。
著名的人工核聚变项目ITER是1985年由前苏联发起的。在经历了漫长的研究争论以后,最后决定在法国建设这个项目。当然了, 这个装置必须要用一个大的机械腔体,为了考虑到对磁场的影响,后来采取了奥氏体不锈钢材料来做这个装置。因为奥氏体不锈钢材料是一种非磁性材料。ITER内部的超强磁场来自16个大型超导环向场线高斯,作为对比,我们知道地球的磁场强度大概是0.5高斯。