基本介紹
- 中文名：可控核聚變
- 外文名：Controlled nuclear fusion
- 趣稱：“人造太陽”
- 核心裝置：“托克馬克裝置”
- 原理：產生環形磁場
- 國際組織：國際熱核聚變實驗堆
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可控核聚變
簡介
核能包括裂變能和聚變能兩種主要形式。
中國合肥EAST
中國合肥EAST裂變能是重金屬元素的原子通過裂變而釋放的巨大能量，已經實現商用化。因為裂變需要的鈾等重金屬元素在地球上含量稀少，而且常規裂變反應堆會產生長壽命放射性較強的核廢料，這些因素限制了裂變能的發展。另一種核能形式是目前尚未實現商用化的聚變能。
氘在地球的海水中藏量豐富，多達40萬億噸，如果全部用於聚變反應，釋放出的能量足夠人類使用幾百億年，而且反應產物是無放射性污染的氦。另外，由於核聚變需要極高溫度，一旦某一環節出現問題，燃料溫度下降，聚變反應就會自動中止。也就是說，聚變堆是次臨界堆，絕對不會發生類似前蘇聯車諾比核（核裂變）電站的事故，它是安全的。因此，聚變能是一種無限的、清潔的、安全的新能源。
詳細內容
地球上的能量，無論是以礦石燃料，風力，水力還是動植物的形式儲存起來的，最終的來源都是太陽：礦石燃料是由千百萬年前的動植物演變而來的，而動植物（無論是今天的還是以前的）的能量最終是要來源於食物鏈底端的植物的光合作用所儲存的太陽能；風的起因是由於太陽對大氣的加熱造成的冷熱不均；水力的勢能一樣要靠太陽的加熱使處於低平位置的水體蒸發，上升，再以降水形式被“搬運”到較高位置，從而形成勢能。因此，無論人類利用這其中哪一種能源，歸根結底都是在利用太陽能，而太陽的能量則是來源於核聚變，因此，人類如果掌握了有序地釋放核聚變的能量的辦法，就等於掌握了太陽的能量來源，就等於掌握了無窮無盡的礦石燃料，風力和水力能源，一些人鼓吹的現代工業將因為沒有能量來源而走向滅亡的觀點也就破產了。因此，可控核聚變反應堆當之無愧地被稱作“人造太陽”。我國在可控核聚變技術方面處於世界領先地位，即將開始運行的EAST反應堆是世界上第一個達到實用工程標準的反應堆，如果能夠成功運行，那么，可控核聚變的商業發電的時日就不遠了。
發展
1939年，美國物理學家貝特通過實驗證實，把一個氘原子核用加速器加速後和一個氚原子核以極高的速度碰撞，兩個原子核發生了融合，形成一個新的原子核——氦外加一個自由中子，在這個過程中釋放出了17.6兆電子伏的能量。這就是太陽持續45億年發光發熱的原理。
早在1933年，核聚變的原理就被提出，而5年後，改變世界格局的核裂變才被發現。核聚變反應堆的原理很簡單，很好理解，只不過實現起來對於當時的人類技術水準，幾乎是不可能的。第一步，作為反應體的混合氣必須被加熱到等離子態——也就是溫度足夠高到使得電子能脫離原子核的束縛，原子核能自由運動，這時才可能使得原子核發生直接接觸，這個時候，需要大約10萬攝氏度的溫度。第二步，為了克服庫侖力，也就是同樣帶正電荷的原子核之間的斥力，原子核需要以極快的速度運行，得到這個速度，最簡單的方法就是——繼續加溫，使得布朗運動達到一個瘋狂的水平，要使原子核達到這種運行狀態，需要上億攝氏度的溫度。然後就簡單了，氚的原子核和氘的原子核以極大的速度，赤裸裸地發生碰撞，產生了新的氦核和新的中子，釋放出巨大的能量。經過一段時間，反應體已經不需要外來能源的加熱，核聚變的溫度足夠使得原子核繼續發生聚變。這個過程只要氦原子核和中子被及時排除，新的氚和氘的混合氣被輸入到反應體，核聚變就能持續下去，產生的能量一小部分留在反應體內，維持鏈式反應，大部分可以輸出，作為能源來使用。看起來很簡單是吧，只有一個問題，你把這個高達上億攝氏度的反應體放在哪裡呢？迄今為止，人類還沒有造出任何能經受1萬攝氏度的化學結構，更不要說上億攝氏度了。這就是為什麼一槌子買賣的氫彈已經製造了50年後，人類還沒能有效的從核聚變中獲取能量的唯一原因。好了，人類是很聰明的，不能用化學結構的方法解決問題，我們就用物理的試驗一下。早在50年前，兩種約束高溫反應體的理論就產生了，一種是慣性約束。這一方法把幾毫克的氘和氚的混合氣體裝入直徑約幾毫米的小球內，然後從外面均勻射入雷射束或粒子束，球面內層因而向內擠壓。球內氣體受到擠壓，壓力升高，溫度也急劇升高，當溫度達到需要的點火溫度時，球內氣體發生爆炸，產生大量熱能。這樣的爆炸每秒鐘發生三四次，並持續不斷地進行下去，釋放出的能量就可以達到百萬千瓦級的水平。這一理論的奠基人之一就是我國著名科學家王淦昌。另一種就是磁力約束，由於原子核是帶正電的，那么我的磁場只要足夠強大，你就跑不出去，我建立一個環形的磁場，那么你就只能沿著磁力線的方向，沿著螺旋形運動，跑不出我的範圍，而在環形磁場之外的一點距離，我可以建立一個大型的換熱裝置（此時反應體的能量只能以熱輻射的方式傳到換熱體），然後再使用人類已經很熟悉的方法，把熱能轉換成電能就是了。蘇聯科學家塔姆和薩哈羅夫提出的這種方法相對於慣性約束，世界受控核聚變研究，主要集中在這個領域上。
核聚變的優點
利用核能的最終目標是要實現受控核聚變。裂變時靠原子核分裂而釋出能量。聚變時則由較輕的原子核聚合成較重的原子核而釋出能量。最常見的是由氫的同位素氘（讀"刀"，又叫重氫）和氚（讀"川"，又叫超重氫）聚合成較重的原子核如氦而釋出能量。 核聚變較之核裂變有兩個重大優點。一是地球上蘊藏的核聚變能遠比核裂變能豐富得多。據測算，每升海水中含有0.03克氘，所以地球上僅在海水中就有45萬億噸氘。1升海水中所含的氘，經過核聚變可提供相當於300升汽油燃燒後釋放出的能量。地球上蘊藏的核聚變能約為蘊藏的可進行核裂變元素所能釋出的全部核裂變能的1000萬倍，可以說是取之不竭的能源。至於氚，雖然自然界中不存在，但靠中子同鋰作用可以產生，而海水中也含有大量鋰。 第二個優點是既乾淨又安全。因為它不會產生污染環境的放射性物質，所以是乾淨的。同時受控核聚變反應可在稀薄的氣體中持續地穩定進行，所以是安全的。 實現核聚變已有不少方法。最早的著名方法是"托卡馬克"型磁場約束法。它是利用通過強大電流所產生的強大磁場，把電漿約束在很小範圍內以實現上述三個條件。雖然在實驗室條件下已接近·，但要達到工業套用還差得遠。按照現有的技術水平，要建立托卡馬克型核聚變裝置，需要幾千億美元。 另一種實現核聚變的方法是慣性約束法。慣性約束核聚變是把幾毫克的氘和氚的混合氣體或固體，裝入直徑約幾毫米的小球內。從外面均勻射入雷射束或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸發，受它的反作用，球面內層向內擠壓（反作用力是一種慣性力，靠它使氣體約束，所以稱為慣性約束），就像噴氣飛機氣體往後噴而推動飛機前飛一樣，小球內氣體受擠壓而壓力升高，並伴隨著溫度的急劇升高。當溫度達到所需要的點火溫度（大概需要幾十億度）時，小球內氣體便發生爆炸，並產生大量熱能。這種爆炸過程時間很短，只有幾個皮秒（1皮等於1萬億分之一秒）。如每秒鐘發生三四次這樣的爆炸並且連續不斷地進行下去，所釋放出的能量就相當於百萬千瓦級的發電站。 原理上雖然就這么簡單，但是現有的雷射束或粒子束所能達到的功率，離需要的還差幾十倍、甚至幾百倍，加上其他種種技術上的問題，使慣性約束核聚變仍是可望而不可及的。 儘管實現受控熱核聚變仍有漫長艱難的路程需要我們征服，但其美好前景的巨大誘惑力，正吸引著各國科學家在奮力攀登。
具體實現方式
TOKAMAK
為實現磁力約束，需要一個能產生足夠強的環形磁場的裝置，這種裝置就被稱作“托克馬克裝置”——TOKAMAK，也就是俄語中是由“環形”、“真空”、“磁”、“線圈”的字頭組成的縮寫。早在1954年，在原蘇聯庫爾恰托夫原子能研究所就建成了世界上第一個托卡馬克裝置。貌似很順利吧？其實不然，要想能夠投入實際使用，必須使得輸入裝置的能量遠遠小於輸出的能量才行，我們稱作能量增益因子——Q值。當時的托卡馬克裝置是個很不穩定的東西，搞了十幾年，也沒有得到能量輸出，直到1970年，前蘇聯才在改進了很多次的托卡馬克裝置上第一次獲得了實際的能量輸出，不過要用當時最高級設備才能測出來，Q值大約是10億分之一。別小看這個十億分之一，這使得全世界看到了希望，於是全世界都在這種激勵下大幹快上，紛紛建設起自己的大型托卡馬克裝置，歐洲建設了聯合環-JET,蘇聯建設了T20（後來縮水成了T15，線圈小了，但是上了超導），日本的JT-60和美國的TFTR（托卡馬克聚變實驗反應器的縮寫）。這些托卡馬克裝置一次次把能量增益因子（Q）值的紀錄刷新，1991年歐洲的聯合環實現了核聚變史上第一次氘－氚運行實驗，使用6：1的氘氚混合燃料，受控核聚變反應持續了2秒鐘，獲得了0.17萬千瓦輸出功率，Q值達0.12。1993年，美國在TFTR上使用氘、氚1：1的燃料，兩次實驗釋放的聚變能分別為0.3萬千瓦和0.56萬千瓦，Q值達到了0.28。1997年9月，聯合歐洲環創1.29萬千瓦的世界紀錄，Q值達0.60，持續了2秒。僅過了39天，輸出功率又提高到1.61萬千瓦， Q值達到0.65。三個月以後，日本的JT－60上成功進行了氘－氘反應實驗，換算到氘－氚反應，Q值可以達到1。後來，Q值又超過了1.25。這是第一次Q值大於1，儘管氘-氘反應是不能實用的（這個後面再說），但是托卡馬克理論上可以真正產生能量了。在這個大環境下，中國也不例外，在70年代就建設了數個實驗托卡馬克裝置——環流一號（HL-1）和CT-6，後來又建設了HT-6,HT-6B，以及改建了HL1M，新建了環流2號。有種說法，說中國的托卡馬克裝置研究是從俄羅斯贈送設備開始的，這是不對的，HT6/HL1的建設都早於俄羅斯贈送的HT-7系統。HT-7以前，中國的幾個設備都是普通的托卡馬克裝置，而俄羅斯贈送的HT-7則是中國第一個“超脫卡馬克”裝置。什麼是“超托卡馬克裝置”呢？回過頭來說，托卡馬克裝置的核心就是磁場，要產生磁場就要用線圈，就要通電，有線圈就有導線，有導線就有電阻。托卡馬克裝置越接近實用就要越強的磁場，就要給導線通過越大的電流，這個時候，導線里的電阻就出現了，電阻使得線圈的效率降低，同時限制通過大的電流，不能產生足夠的磁場。托卡馬克貌似走到了盡頭。幸好，超導技術的發展使得托卡馬克峰迴路轉，只要把線圈做成超導體，理論上就可以解決大電流和損耗的問題，於是，使用超導線圈的托卡馬克裝置就誕生了，這就是超托卡馬克。目前為止，世界上有4個國家有各自的大型超托卡馬克裝置，法國的Tore－Supra，俄羅斯的T-15，日本的JT-60U，和中國的EAST。除了EAST以外，其他四個大概都只能叫“準超托卡馬克”，它們的水平線圈是超導的，垂直線圈則是常規的，因此還是會受到電阻的困擾。此外他們三個的線圈截面都是圓形的，而為了增加反應體的容積，EAST則第一次嘗試做成了非圓型截面。此外，在建的還有德國的螺旋石-7，規模比EAST大，但是技術水平差不多。
ITER
2005年正式確定的國際合作項目ITER，也就是國際熱核實驗反應堆的縮寫，這個項目從1985年開始，由蘇聯、美國、日本和歐共同提出，目的是建立第一個試驗用的聚變反應堆。（注意：ITER已經不是托卡馬克裝置了，而是試驗反應堆，這是一大進步）最初方案是2010年建成一個實驗堆，實現1500兆瓦功率輸出，造價100億美元。沒想到因為各國想法不同，蘇聯解體，加上技術手段的限制，一直到了2000年也沒有結果，其間美國中途退出，ITER出現胎死腹中的危險。直到2003年，能源危機加劇，各國又重視起來，首先是中國宣布加入了ITER計畫，歐洲、日本和俄羅斯自然很高興，隨後美國宣布重返計畫。緊接著，韓國和印度也宣布加入。
2005年ITER正式立項，地點在法國的卡達拉申，基本設計不變，力爭2015年前全面完成，造價120億美元，歐盟出40%，法、中、日、美各出10%，剩下的想讓別人平攤，韓國印度不乾，力爭讓俄國也出10%，自己出5%（最終美、日、俄、中、韓、印各出約9%）。ITER湊巧是拉丁語“道路”，可見大家對這個東西抱有多大的希望。很有可能，她就是人類解決能源問題的“道路”。如果ITER能成功，下一步就是利用ITER的技術，設計和建造示範商用堆，到那時，離真正的商業核聚變發電就不遠了。但是ITER建設中，還有大量的技術問題需要解決，需要有一個原型可以參考，在此基礎上，各國的先進超脫卡馬克裝置就成了設計ITER的藍本。ITER的研究遠非一個托卡馬克裝置，它還有很多難題需要攻克，地雷戰里說“各村有各村的高招”，日本的外圍設備研究就遠遠走在了其他國家前面，他們在托卡馬克點火領域就很先進，不用高壓變壓器，直接使用高頻電流製造核聚變點火的高溫電漿電流，就已經在日本試驗成功了，大功率雷射點火也接近完善。
EAST
EAST位於中國合肥，是目前為止，超托卡馬克反應體部分，唯一能給ITER提供實驗數據的裝置，他的結構和套用的技術與規劃中的ITER完全一樣，沒有的僅僅是換能部分。EAST解決了幾個重要問題：第一次採用了非圓型垂直截面，目的是在不增加環形直徑的前提下增加反應體的體積，提高磁場效率。第一次全部採用了液氦無損耗的超導體系。液氦是很貴的，只有線上圈材料上下功夫，儘量少用液氦，同時讓液氦可以循環使用，儘量減少損耗的系統才可能投入實用。此外，EAST還是世界上第一個具有主動冷卻結構的托卡馬克，它的第一壁是主動冷卻的，連線的是一個大型冷卻塔，它的冷卻水可以保證在長時間運行後將反應產生的熱量帶走，維持系統的溫度平衡，一方面是為真正實現穩定的受控聚變邁出的重要一步，另一方面也是工程化的重要標誌——冷卻塔換成汽輪機是可以發電的。結合一些相關資料，世界這個領域普遍認為EAST將是第一個能長時間穩定運行的，Q值能達到1的托卡馬克裝置，當然這可能還要1-2年的時間。就EAST來說，從某種意義上，它就是ITER主反應體大約1/4的一個原型實驗裝置。
新發展方向
人類沒有被一個ITER限定死，很多可控核聚變領域的研究也層出不窮。前幾年出現了冷核聚變的說法，就是將氘代丙酮以一定的頻率進行震動，發現產生的微小氣泡裡面產生了核聚變，還有一部以此為背景的電影《聖徒》，但是目前看來，由於被認為不可重現，缺乏理論依據，基本可以認定是偽科學了。另外托克馬克也不都是環形的，長徑比到一定程度，就出現了球形的裝置，造價低，有效截面大，很可能是未來的發展方向，順便說一下，離我不到500米，就有一台這個設備——科學院物理所的SUNIST。此外，慣性約束核聚變也是一個很有前途的方向，實際上我認為慣性約束的思想很聰明，它實際上就是用很多小型的非受控核聚變實現總體的受控核聚變，它的結構要比磁性約束簡單很多，它也是一個重點地研究領域，在新聞中看到的國內的新型的大型雷射器什麼的，絕大多數是用於此。
中國
中國在這個領域有先天的優勢，加上機遇很好，走到世界第一集團，不是偶然的。說先天優勢，是因為我們有王淦昌先生這樣一批理論上的大師，使得我們的基礎並不落後。國家對於能源的重視不是一天兩天了，自1956年的12年科學規劃以來，核聚變的研究已經進行了半個世紀，積累了大量的經驗。還有一個祖宗留給我們的好禮物：內蒙古白雲鄂博的稀土資源。它使得我們的超導工藝和雷射技術並不落後——這可是受控核聚變的重要組成部分。說我們機遇好，一方面是當年蘇聯解體，俄羅斯賤賣家底，我們得到了俄國的HT-7超脫卡馬克，使我們跨越性的認識了這一系統。另一方面，國際扯皮使得ITER拖了近20年，我們贏得了追上去的機會，試想1985年ITER正式開建，怎么可能有中國的事情？中國人在這個關乎人類生存的領域，總算占有了一席之地，希望能良好的發展下去，早日求得正果，若如此，不僅為華夏之福，更是寰宇之大幸也。
發展
國際熱核聚變實驗堆（ITER）組織正式成立
2007年10月24日台北時間21∶15，國際熱核聚變實驗堆（ITER）組織在法國卡達拉舍（Cadarache）正式成立，這標誌著目前全球規模最大的國際科技合作協定正式啟動。當國際組織總幹事池田要先生和第一副總幹事郝特康普博士揭下“ITER國際組織”牌匾上的綢布時，會場響起熱烈的掌聲。
同一時刻，美國、俄羅斯、歐盟、中國、日本、韓國、印度各方的高層代表通過視頻在各自國家參與了ITER國際組織舉行的成立儀式。中國分會場設在合肥中國科學院電漿所主控室，科技部基礎司彭以祺副巡視員、ITER辦公室羅德隆同志等與國內有關專家一起見證了這一重要歷史時刻，大家紛紛舉杯同賀。在此之前，ITER組織還舉行了ITER技術負責人第15次會議。
2006年11月21日，我國與歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國共同簽署了《聯合實施國際熱核聚變實驗堆計畫建立國際聚變能組織的協定》和《聯合實施國際熱核聚變實驗堆計畫國際聚變能組織特權和豁免協定》。2007年8月31日，十屆全國人大第29次常委會審議通過了上述兩個協定。
ITER計畫是目前全球規模最大、經費投入最多、影響最深遠的重大國際科學工程之一，它吸引了世界主要國家的頂尖科學家。ITER計畫的實施結果將影響人類能否大規模地使用聚變能，從而從根本上解決能源問題的進程。參與ITER計畫不僅使我國在核聚變能研究方面進入世界最前沿，為我國自主地開展核聚變示範電站開發清潔高效的能源的研發奠定基礎，也將推動我國核聚變科技整體水平的發展。
2012年7月10日，中國可控核聚變實驗裝置獲重大突破，遙遙領先世界。中科院電漿物理研究所，東方超環（EAST）超導托卡馬克2012年物理實驗順利結束。在長達四個多月的實驗期間，科學家們利用低雜波和離子迴旋射頻波，實現多種模式的高約束電漿、長脈衝高約束放電，自主創新能力得到較大提高、獲得多項重大成果，創造了兩項托卡馬克運行的世界記錄：
獲得超過400秒的兩千萬度高參數偏濾器電漿；獲得穩定重複超過30秒的高約束電漿放電。這分別是國際上最長時間的高溫偏濾器電漿放電、最長時間的高約束電漿放電，標誌著我國在穩態高約束電漿研究方面走在國際前列。（來源：鳳凰網：2012年7月12日新聞：中國可控核聚變實驗裝置獲重大突破 遙遙領先世界）
