受控核聚變

受控核聚變指的是在一定約束區域內，有控制地產生並進行輕核聚變的科學。主要受控核聚變方式有：超音波核聚變、雷射約束（慣性約束）核聚變、磁約束核聚變（托卡馬克）。其中超音波核聚變並未得到證實。

基本介紹

• 中文名：受控核聚變
• 外文名：controlled nuclear fusion
• 領域：核能利用
• 方法：超音波、慣性約束、磁約束
• 難點：核聚變條件要求高
• 學科：核物理

原理

在一定條件下，一個氘核(由一個質子一個中子組成)和一個氚核(由一個質子和二個中子組成)會發生聚變核反應，生成一個氦核(二個質子和二個中子組成)，並放出一個中子。精密的測量表明，氦核加上一個中子的質量之和小於一個氘核與氚核反應前的質量之和，發生了明顯的質且虧損。根據著名的愛因斯坦質能公式E=mc²，反應過程中出現的質量虧損轉化為巨大的能量釋放出來。反應條件是將一定密度的電漿加熱到足夠高的溫度，並且保持足夠長的時間，使聚變反應得以進行。

由於核聚變電漿溫度極高(達上億度)，任何實物容器都無法承受如此高的溫度，因此必須採用特殊的方法將高溫電漿約束住。像太陽及其他恆星是靠巨大的引力約束住1000萬～ 1500萬攝氏度的電漿來維持聚變反應,而地球上根本沒有這么大的引力，只有通過把低密度的電漿加熱到更高的溫度(1億度以上)，來引起聚變反應。通過人工方法約束電漿主要有兩種途徑,即慣性約束和磁約束。

受控核聚變分類

通過人工方法約束電漿主要有兩種途徑，即慣性約束和磁約束。慣性約束是利用高功率密度的雷射束或其他粒子束將內含氘氚燃料的微丸在極短的時間內壓縮爆達到極高的密度，同時將氘氚離子加熱到熱核聚變反應溫度，並在向心聚爆形成的電漿飛散以前(即利用電漿向內運動的慣性)產生足夠的聚變反應，獲得能量增益。

磁約束核聚變

磁約束是在一定的真空容器中，將氘氚燃料用特殊的加熱方法加熱到聚變反應溫區(即1億度以上)以點燃氘氚反應，利用特殊設計的“磁籠子”將這種高溫電漿穩定地約束在該真空容器內，使聚變反應能夠穩定進行。圍繞這種“磁籠子”的設計和建造，人類已經走過了半個多世紀艱苦的歷程。

氘、氚等較輕的原子核聚合成較重的原子核時，會釋放大量核能，但這種聚變反應只能在極高溫下進行，任何固體材料都將熔毀。因此，需要用特殊形態的磁場把由氘、氚等原子核及自由電子組成的一定密度的高溫電漿約束在有限體積內，使之脫離器壁並限制其熱導，這是實現受控熱核聚變的重要條件。

兩端呈瓶頸狀的磁力線，因瓶頸處磁場較強（也稱作磁鏡）能將帶電粒子反射回來 ，從而限制粒子的縱向（沿磁力線方向）移動，使粒子在作迴旋運動的同時，不斷地來回穿梭，被約束在兩端的磁鏡之間，但是仍有一部分其軌道與磁力線的夾角小於某值的帶電粒子會逃逸出去。為了避免帶電粒子的流失，曾經把磁力線連同電漿彎曲連線成環形；後來又改進為呈8字形的圓環形磁力線管，稱為仿星器；實驗上現最有成效的磁約束裝置是托卡馬克裝置，又稱環流器，它是環形螺線管，其中的磁力線具有螺旋形狀。

慣性約束聚變

慣性約束聚變（inertial confinement fusion）是利用粒子的慣性作用來約束粒子本身，從而實現核聚變反應的一種方法。其基本思想是：利用驅動器提供的能量使靶丸中的核聚變燃料（氘、氚）形成電漿，在這些電漿粒子由於自身慣性作用還來不及向四周飛散的極短時間內，通過向心爆聚被壓縮到高溫、高密度狀態，從而發生核聚變反應。由於這種核聚變是依靠電漿粒子自身的慣性約束作用而實現的，因而稱為慣性約束聚變。

雷射技術的發展為實現受控熱核聚變提供了條件 ，現代雷射技術能產生聚焦良好的能量巨大的脈衝光束。採用多路高強脈衝雷射對稱地集射到球形氘氚靶丸上使之加熱，表面消融為高溫電漿，高速噴射出來產生強大的反衝力，擠壓靶芯，使之溫度和密度急驟升高而發生聚變。除了採用雷射束外，也可採用電子束或離子束。

發展歷程

其實早在五十年代初地球上就實現了聚變核反應，這就是氫彈的爆炸。它是依靠核子彈爆炸時形成的高溫高壓，使得氫彈裡面的熱核燃料氘氚發生聚變反應，釋放巨大能量，形成強大無比的破壞力。可惜這種瞬間的猛烈爆炸無法控制。要把聚變時放出的巨大能量作為社會生產和人類生活的能源，必須對劇烈的聚變核反應加以控制，因而稱為受控核聚變。

自阿特金森(Atkinson)和豪特曼斯 (Houtemans) (1929) 提出太陽的能量來源於熱核反應的假說以後，研究雖然困難重重，但一直在繼續發展。第 二次世界大戰期間，出現了採用裂變爆炸引發核聚變的構想，並由美國第一個熱核裝置的爆炸成功所證 實。美國有四個實驗室早就著手這方面的研究工作， 蘇聯也在研究。1958年和平利用原子能國際會議後，美蘇等國公開了自己的研究成果，加強了國際合作。此後，稀薄電漿的研究工作在許多國家進行 著。迄今為止，聚變有兩條截然不同的途徑，一條途徑是利用非常稀薄的燃料，因而反應速度慢，利於控 制；另一條途徑是使燃料達到極高的密度，在高溫高 密度下進行聚變反應。磁約束聚變裝置也在不斷發展 和改進。由於受控核聚變具有原料充足、經濟性能優異、安全可靠、無環境污染等優勢，因而有望成為人類取之不盡、用之不竭的理想能源。

面臨問題

受控核聚變技術難度極高，核聚變的條件相當苛刻，要求具有足夠高的點火溫度（幾千萬攝氏度甚至幾億攝氏度的高溫）、非常高的氣體密度（相當於常溫常壓下氣體密度的幾萬倍），並保持溫度和密度足夠長的時間等。

人們現在還不能進行受控核聚變，這主要是因為進行核聚變需要的條件非常苛刻。發生核聚變需要在1億度的高溫下才能進行，因此又叫熱核反應。可以想像，沒有什麼材料能經受得起1億度的高溫。此外還有許多難以想像的困難需要去克服。

受控核聚變的主要研究內容：①電漿的特性 及行為；②電漿的不穩定性；③磁約束聚變裝置的類型，托卡馬克裝置，仿星器、磁鏡以及磁箍縮的研究和改進；④壓縮聚變系統；⑤電漿的射頻加熱；⑥磁約束聚變堆；⑦聚變裂變堆。受控核聚變由 於其技術的複雜性，達到實用階段還存在一些困難的問題。近年來出現的室溫下的核聚變，已在許多國家 的實驗中重複出現，目前這一概念雖然還存在爭議， 將來核聚變能將會成為人類重要的能源之一。