核聚變能源，即利用熱核聚產生巨大能量的能源。變其能量產生的方式，是經由重力將氫原子壓縮加熱成為高密度高溫度的電漿狀態，並進行核聚變反應以釋放能量。
基本介紹
- 中文名：核聚變能源
- 外文名：fusion energy
- 方式：核聚變
- 領域：核能利用
- 套用：聚變電站
簡介,安全性,發展展望,NIF工程,中國可控核聚變裝置,
簡介
核聚變反應是恆星發光發熱的能量來源。其能量產生的方式，是經由重力將氫原子壓縮加熱成為高密度高溫度的電漿狀態，並進行核聚變反應以釋放能量。在核聚變反應過程中，一部分氫核子質量轉換為能量。但是，利用氫核子的同位素氘與氚的核聚變才是最容易實現的核聚變反應。目前，如何控制高溫狀態下，氘和氚的混合氣體形成的電漿的溫度以實現最佳的核聚變反應速率，是相當關鍵的技術。
核聚變的氘和氚燃料很容易取得，氘可以從海水提煉，在水中每 7000 個氫元素就有一個氘同位素，而氘的提煉成本低廉。每一公升的海水中含有 30mg 的氘，而 30mg 的氘經核聚變產生的能量相當於 300L 汽油。雖然由於氚具有 13年的半衰期，它不存在於自然界中，但可以從鋰元素中提煉。每一個氘氚核聚變產生的中子可以在反應器中碰撞鋰滋生圍包層，產生一個氚原子。只需要 1t 的氘和 10t 的鋰，核聚變發電廠就能每年以十億瓦特的功率發電，等同於火力發電廠燃燒掉 200 萬 t 的煤炭或 130 萬 t 的石油，或者等同於核能發電廠消耗掉 30t 的二氧化鈾燃料所生產的電力。氘氚來源充足，據估計全球海水中有 45 萬億 t 氘，可以提供世界 100 億年的能源，幾乎是取之不盡、用之不竭。核聚變發電廠的基本設計與核分裂核能發電廠類似，只是反應器不同。核聚變發電廠已被公認是所有基載發電系統中最不影響環境且最安全的替代方案。核聚變燃料的生產並不使用放射性物質，而且不直接產生放射性廢料。但是反應器結構材料因吸收中子會產生半衰期很短的低放射性。通過精心的設計及材料選擇可以減少放射性而確實達到低危害性。
安全性
（1）核聚變不會產生任何放射性廢料，沒有廢料難解的技術與政治問題；
（2）只要減少電漿密度或氘氚供給，核聚變反應可以隨時終止，其控制性比現行核分裂反應器要容易；
（3）即使發生最糟糕的核聚變災變也不至於對電廠周圍的居民產生重大危害；
（4）核聚變發電廠運轉所造成的低放射性結構材料並不需長時間封存，因此將不會對下一代構成負擔。
和目前所知的所有能源相比，核聚變產生的能源是最理想的，不僅燃料充足，又不產生溫室氣體及高放射性核廢料，對氣候與環境幾乎沒有衝擊，將可大幅地降低環境污染問題。核聚變能源將會是取代化石能源，供給人類潔淨能源的最好選項。如果採用核聚變機制的核能發電能成功，將為人類提供取之不盡的潔淨能源，可以滿足人類的能源需求，可以說是最終解決了人類對永續潔淨能源需求的問題。
發展展望
燃燒化石燃料所造成的全球氣候與氣候變化的社會與經濟成本相當高，加之再生能源因受天候影響與地理環境的限制，且在沒有價廉且大量電力的儲存技術之下，將不大可能能供給穩定的電力，從而無法滿足世界的能源所需。因此，環境友好且不受天氣氣候影響並具有穩定能源供給能力者將成為主要的能源供給來源。和目前所知的所有能源相比，氘與氚核聚變產生的能源最理想，它的發展將是長期性世界經濟成長與避免環境惡化的關鍵。因此核聚變能源是最友善環境的永續能源，極有可能成為人類能源的最終解決方案。
美國國家工程學會早在 2008 年就發表聲明，核聚變能源研發將是 21 世紀 14 項科技發展的重大挑戰之一。歐洲、日本、美國、俄羅斯、中國、印度與韓國等涵蓋了超過世界四分之三以上人口的國家於 2005 年決定合作建造下一代輸出能量為輸入能量 5 倍以上，電漿電流脈衝長度為 500s，且輸出功率為 5 億瓦的“國際熱核聚變實驗堆（ITER）”。
ITER 反應器坐落在法國，計畫 2020 年以前完成興建，並且開始運轉。ITER 將克服的科技挑戰包含燃燒電漿的控制與其物理機理的解讀、安全與有效氚燃料的萃取以及有關材料的科學問題。ITER 將成為世界第一個產出能量遠大於輸入能量的核聚變實驗反應爐，為建造大量生產核聚變能源的反應爐作準備，在 2050 年以前，人類有可能開始使用核聚變能源。
NIF工程
核聚變的啟動能量來源也是核聚變中也是很重要的，自從1994年被稱為“國家點火設施”的雷射核聚變計畫被正式簽發以來，美國科學家便將希望寄托在在這國家點火裝置（NIF）上了。國家點火裝置（NIF）位於美國加利福尼亞州勞倫斯一利弗莫爾國家實驗室，有850名科學家和工程師。另外大約有100名物理學家在那裡設計實驗。國家點火裝置（NIF）長215米，寬120米，大約同古羅馬圓形競技場一樣大，是目前世界上最大和最複雜的雷射光學系統，它將模擬同太陽和其他恆星內部相似的條件，使氫原子核發生聚變形成氦核，並釋放能量，其目的是成為第一個突破平衡點的設施，即雷射在聚變反應中產生的能量大於它們所消耗的能量，從而在實驗室條件下實現人類歷史上的第一次聚變點火。NIF注入雷射系統由主振室、預放模組、輸入探測包和預放光束傳輸系統四部分構成,負責產生全系統的種子脈衝,經過時間和空間整形、位相調製、放大和分束後,實現焦耳級輸出。它將192條雷射束集中於一個花生米大小的、裝有重氫燃料的目標上。每束雷射發射出持續大約十億分之三秒、蘊涵180萬焦耳能量的脈衝紫外光——這些能量是美國所有電站產生的電能的500倍還多。當這些脈衝撞擊到目標反應室上，它們將產生X光。這些X光會集中於位於反應室中心裝滿重氫燃料的一個塑膠封殼上。NIF研究人員估計，x光將把燃料加熱到一億度，並施加足夠的壓力使重氫核生聚變反應。釋放的能量將是輸入能量的15倍還多。
國家點火裝置已經基本上完成了其建設工作，它將於2009年3月竣工。屆時，研究人員將開始準備為聚變點火，第一次實現暫定於2010年，核聚變實驗定於2011年。調試工作包括進行一系列最佳化和測試實驗，以獲取點火實驗所必需的關鍵雷射參數和點火靶參數。這些調試工作將在第一次點火打靶前完成。點火實驗對靶工作性能的要求主要體現在：力能學性能、對稱性，激波時序以及靶丸流體動力學。研究人員推測，一旦核聚變實驗成功，我們將有可能在2020年建成第一座核聚變發電廠，而在那不久後，其會很快的商業化。在那一天，科學家們這幾十年來追尋的夢想，將成為現實。
中國可控核聚變裝置
成都核工業西南物理研究院在受控核聚變實驗裝置——中國環流器二號A裝置上首次實現了偏濾器位形下高約束模式運行。專家指出，這是我國磁約束聚變實驗研究史上具有里程碑意義的重大進展，標誌著中國磁約束聚變能源開發研究綜合實力與水平得到了極大提高。
位於成都的核工業西南物理研究院在受控核聚變實驗裝置——中國環流器二號A裝置上首次實現了偏濾器位形下高約束模式運行。
專家指出，這是中國磁約束聚變實驗研究史上具有里程碑意義的重大進展，標誌著中國磁約束聚變能源開發研究綜合實力與水平得到了極大提高。歐洲物理學會主席華格納等國際著名聚變專家聞訊後紛紛向中國科學家表示祝賀。
實現高約束模式運行，需要包括加熱、控制(包括位形、密度、雜質、再循環控制的改善)、電源、器壁處理、偏濾器抽氣及診斷等能力同時達到較高水平。
中國科學家致力於實現高約束模式的研究，進行了大量艱苦細緻的工作。在國家有關部委的支持下，核工業西南物理研究院堅持自主創新，在中國環流器二號裝置上完善了實驗條件，進一步提高了裝置性能。繼2003年實現偏濾器位形放電後，又瞄準聚變前沿領域，自主研製了中國國內輸出功率最大的中性束和電子迴旋加熱系統，在中國環流器二號A裝置上首次實現了高約束模式運行。
核物理學家、中國科學院資深院士李正武說，實現高約束模式運行為開展國際聚變界熱點問題的研究創造了一個全新的平台，為更高水平的研究創造了條件，必將加快中國聚變能源研究的步伐。
