3.1 JET 与 TFTR：冲向 Q=1 的第一代巨物

3.1 JET 与 TFTR：冲向 Q=1 的第一代巨物

本节摘要：JET（欧洲）与 TFTR（美国）是托卡马克时代的两座旗舰。本节讲它们为何而建、氘氚实验如何冲刺，以及 Q=0.67 这个著名数字的正确读法——它离"收支平衡"有多近，离"发电"又有多远。

从中型装置到旗舰：为什么必须做大

本节承接托卡马克加冕后的扩张逻辑：1970年代的实验确立了一条关键定标律——能量约束时间随装置尺寸和磁场增长，即"越大越好约束"。要在劳森账本上逼近点火，下一代的尺寸由物理直接决定：等离子体大半径要冲到三米级，等离子体电流要冲到几百万安培级。欧洲人先动：1978年欧共体决定把 JET（欧洲联合环，Joint European Torus）建在英国卡拉姆，1983年首次等离子体。美国跟进：TFTR（托卡马克聚变试验堆）落户普林斯顿，1982年首放电。两台机器目标一致——做当时世界上最大的环形等离子体，直指氘氚燃烧实验。

大，不只是尺寸问题，更是一整套工程能力的升级。真空室内壁要承受数兆瓦每平方米的热流；磁体系统从常导升级到水冷铜线圈，单组线圈以百吨计；诊断系统从几十路扩到上百路。最关键的升级在加热：欧姆加热（靠等离子体电流自身电阻发热）的温度天花板只有一两千万摄氏度，要逼近点火必须外挂加热系统——中性束注入（把高能氘原子束射进等离子体）与射频波加热（给离子"荡秋千"式的共振加速）成为标配，单机功率从千瓦级跃升到兆瓦级。

图：大装置时代时间线——三巨头与 Q 值里程碑

氘氚冲刺：从 1991 到 1997

三大装置建成初期烧的都是氘——没有放射性、好操作，但 D-D 反应截面低，Q 值上不去。真正的考试是氘氚混合燃烧：把放射性氚注入等离子体，让 D-T 反应全功率运转。1991年11月，JET 率先做混合氚实验，聚变功率首次达到兆瓦级——这是人类第一次在磁约束装置里烧出实打实的聚变功率。1993年 TFTR 跟进，把聚变功率推到10.7兆瓦；1994年更是在一次放电中实现约9.3兆瓦的持续输出。双方一路互相加码。

巅峰时刻在1997年：JET 在一次放电中输出16.1兆瓦聚变功率，而维持等离子体注入的加热功率约24兆瓦，Q=0.67——产出达到投入的三分之二。这是磁约束路线的实测 Q 值纪录，保持至今未被超越。同一次实验还实现了约4兆瓦输出维持5秒的成绩。

Q=0.67 的正确读法

这个数字容易被两边误读。悲观读法说"才0.67，还亏着呢"；乐观读法说"离 Q=1 只差一步"。都要修正：其一，Q 只比较"注入等离子体的加热功率"与"聚变产出"，不包含把电能变成中性束、射频波时的效率损失（加热系统本身电效率不到一半），也不包含磁体、真空、冷却的用电——按"插头到插座"的工程口径算，离平衡还远得多。其二，Q 对装置尺寸极其敏感，约束性能随尺寸增长意味着下一代大装置会天然把 Q 推高数倍——这正是 ITER 用 Q=10 做目标的原因。其三，JET 1997 之后磁约束圈沉寂了二十四年：2021年 JET 以升级后的金属壁再次冲击，5秒内累计产出59兆焦能量（Q=0.33 的持续燃烧），证明的不是更高 Q，而是"烧得更久"。

旗舰时代的遗产与账单

三巨头的直接遗产是三件事：证明了托卡马克可以稳定运行在千万安培级电流；实测了氘氚燃烧的全部工程细节（氚注入、中子防护、远程维护）；把劳森曲线推到离点火一纸之遥。账单同样清楚：JET 全周期花费以十亿欧元计，TFTR 在1997年后因美国聚变预算转向ITER而关停，旗舰时代以"物理成功、预算失血"收场。下一个问题顺理成章：既然越大越好，谁来造那个最大的？答案不是任何一个国家——第三章末尾的 ITER 会接住这个话头。

旗舰装置的规格表

把两台旗舰与它们的日本同伴放在一起，规格差异一目了然：

JET 的一个设计细节值得注意：它是唯一一台从立项就按氘氚运行设计的装置，配套了氚工厂与远程维护系统——这为1991年抢先烧氚铺平了路，也让它在1997年后持续承担氘氚任务直至2021年。TFTR 走的是"超级放电"路线：靠极限清洁的壁条件把能量约束压榨到极致，单发性能惊人但重复性差，这条路线的遗产是壁处理技术（硼化等）至今仍在用。

中子与氚：旗舰实验的后勤侧写

氘氚实验的工程侧写常被物理叙事盖住，但它恰是旗舰时代的独特积累。1997年 JET 实验动用的氚以克计，每一克都要在注入前计量、注入后回收、废气里捕集——堆旁的氚工厂昼夜运转，剂量监测覆盖整个卡拉姆园区。TFTR 那边，普林斯顿为氘氚实验建的氚系统成为美国聚变氚操作的实训基地。这些"后勤肌肉"后来写进了 ITER 的运行手册，也写进了第六章的燃料循环技术线：今天商业公司的氚管理方案，追根溯源都到过这两座旗舰的车间。

问题：Q=0.67 之后，为什么磁约束等了二十多年才再冲氘氚？

答：两个原因。其一，物理侧的关键问题（约束定标、氚操作、alpha 粒子物理）可以在纯氘装置上以更低成本推进，氘氚实验并非每一步的必需品；其二，预算侧的中心任务已经移交给 ITER——旗舰装置的后续氘氚冲刺（如 JET 的 DTE2）反而要等升级改造腾出手。这段空窗常被误读为"停滞"，实际是任务重心从单点 Q 值转向系统积累的过渡期。

本节要点回顾

• 做大定律：约束时间随尺寸与磁场增长，直接催生三米级大半径、兆安级电流的旗舰装置。
• 加热升级：欧姆加热到顶后，中性束与射频波成为标配，兆瓦级加热系统决定温度上限。
• JET 1997：16.1 兆瓦对 24 兆瓦，Q=0.67 是磁约束实测纪录至今未破。
• 口径意识：Q 不含加热效率与全厂用电，离工程平衡仍远；2021 年 59 兆焦证明"烧得久"是另一维度。
• 时代收场：物理成功与预算失血并存，通向国际集约化的 ITER。