基本介紹
- 中文名：氘-氚反應堆
- 外文名：Deuterium tritium reactor
- 氘別稱：重氫
- 讀音：氕[piē]、氘[dāo]、氚[chuān]
簡介,英文名,化學符號,物理性質,研究進程歷史,氚氘熱核聚變自持反應堆,計畫項目,原理,優點,現狀,相關產物,
簡介
英文名
Protium（氕）Deuterium（氘）Tritium（氚）。
化學符號
氕1H
氘D/2H
氚T/3H
氕氘不具有放射性，氚具有。
物理性質
氫有三種同位素：
氕H原子核內有1個質子，無中子，豐度為99.98%；
氘D（又叫重氫） ，原子核內有1個質子，1箇中子，豐度0.016%；
氚T（又叫超重氫），原子核內有1個質子，2箇中子，豐度0.004%。
氚帶有放射性，會發生β衰變，其半衰期為12.43年。由於氚的β衰變只會放出高速移動的電子，不會穿透人體，因此只有大量吸入氚才會對人體有害。在地球的自然界中，相比一般的氫氣，氚的含量極少。氚的產生是當宇宙射線所帶的高能量中子撞擊氘核，其氘核與中子結合為氚核。氚與氘一樣，都是製造氫彈的原料。自然界中存在極微，從核反應製得。主要用於熱核反應。
研究進程歷史
早在第二次世界大戰期間，氫即用作A-2火箭發動機的液體推進劑。1960年液氫首次用作航天動力燃料。1970年美國發射的“阿波羅”登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃料。現在氫已是火箭領域的常用燃料了。
氫不但是一種優質燃料，還是石油、化工、化肥和冶金工業中的重要原料和物料。石油和其他化石燃料的精煉需要氫，如烴的增氫、煤的氣化、重油的精煉等；化工中制氨、制甲醇也需要氫。氫還用來還原鐵礦石。用氫製成燃料電池可直接發電。採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電，其能量轉換效率將遠高於現有的火電廠。隨著制氫技術的進步和貯氫手段的完善，氫能將在21世紀的能源舞台上大展風采。
氘是普通氫較重的穩定同位素。常溫下，它是一種無色、無味、無毒無害的可燃性氣體。它用於核能、可控核聚變反應、氚化光導纖維、氚潤滑油、雷射器、燈泡、實驗研究、半導體材料韌化處理以及核醫學，核農業等方面；另外在軍事上，它也有一些重要的用途，比如製造氫彈，中子彈和DF雷射武器。
氚除了用作核武器的材料外，其他用途很多。氚最容易在高溫條件下與氘實現核聚變反應，提取到的氚氣中常含有多種雜質氣體，釋放出巨大能量：3H+2H─→4He+n+17.6MeV
氚氘熱核聚變自持反應堆
計畫項目
"國際熱核聚變實驗堆（ITER）計畫"是目前全球規模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一，建造約需10年，耗資50億美元（1998年值）。ITER裝置是一個能產生大規模氘氚核聚變反應的超導托克馬克，俗稱"人造太陽"。2003年1月，國務院批准我國參加ITER計畫談判，2006年5月，經國務院批准，中國ITER談判聯合小組代表我國政府與歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國共同草簽了ITER計畫協定。這七方包括了全世界主要的核國家和主要的亞洲國家，覆蓋的人口接近全球一半。我國參加ITER計畫是基於能源長遠的基本需求。2013年1月5日中科院合肥物質研究院宣布，"人造太陽"實驗裝置輔助加熱工程的中性束注入系統在綜合測試平台上成功實現100秒長脈衝氫中性束引出。
該計畫的目標是在2025年對反應堆實現首次點火，以證實核聚變的能源利用可行性。
原理
如果說重原子核在中子打擊下分裂放出的"裂變能"是當今原子能電站及核子彈能量的來源，則兩個氫原子核聚合反應放出"核聚變能"就是宇宙間所有恆星（包括太陽）釋放光和熱及氫彈的能源。人類已經能控制和利用核裂變能，但由於很難將兩個帶正電核的氫原子核靠近從而產生聚變反應，控制和利用核聚變能則需要歷經長期的、非常艱苦的研發歷程。在所有的核聚變反應中，氫的同位素---氘和氚的核聚變反應（即氫彈中的聚變反應）是相對比較易於實現的。
在氘氚自持反應堆中，氘氚電漿的自持燃燒主要是依靠阿爾法粒子的加熱來維持的。在穩態條件下，電漿的溫度剖面主要與輸運過程及冷燃料（即氘氚原子）的補充方式有關，而與原先為啟動燃燒所用的加熱方法及加熱功率的沉積剖面基本無關。
氘氚核聚變反應也可以釋放巨大能量。氘在海水中儲量極為豐富，一公升海水裡提取出的氘，在完全的聚變反應中可釋放相當於燃燒300公升汽油的能量；氚可在反應堆中通過鋰再生，而鋰在地殼和海水中都大量存在。氘氚反應的產物沒有放射性，中子對堆結構材料的活化也只產生少量較容易處理的短壽命放射性物質。聚變反應堆不產生污染環境的硫、氮氧化物，不釋放溫室效應氣體。再考慮到聚變堆的固有安全性，可以說，聚變能是無污染、無長壽命放射性核廢料、資源無限的理想能源。受控熱核聚變能的大規模實現將從根本上解決人類社會的能源問題。
考慮到氘和氚原子核能產生聚變反應的條件，若要求氘、氚混合氣體中能產生大量核聚變反應，則氣體溫度必須達到1億度以上。在這樣高的溫度下，氣體原子中帶負電的電子和帶正電的原子核已完全脫開，各自獨立運動。這種完全由自由的帶電粒子構成的高溫氣體被稱為"電漿"。因此，實現"受控熱核聚變"首先需要解決的問題是用什麼方法及如何加熱氣體，使得電漿溫度能上升到百萬度、千萬度、上億度。但是，超過萬度以上的氣體是不能用任何材料所構成的容器約束，使之不飛散的，因此必須尋求某種途徑，防止高溫電漿逃逸或飛散。具有閉合磁力線的磁場（因為帶電粒子只能沿磁力線運動）是一種最可能的選擇。對不同設計出的"磁籠"中電漿運動行為及防止逃逸的研究（即所謂穩定性研究），成為實現受控熱核聚變的第二個難點。如果要使高溫電漿中核聚變反應能持續進行，上億度的高溫必須能長時間維持（不論靠聚變反應產生的部分能量，或外加部分能量）。或者可以說，電漿的能量損失率必須比較小。提高磁籠約束電漿能量的能力，這是論證實現磁約束核聚變的科學可行性的第三個主要內容。除了驗證科學可行性外，建設一個連續運行的聚變反應堆還需要解決加料、排廢、避免雜質、中子帶出能量到包層、產氚及返送以及由於聚變反應產生大量帶電氦原子核對電漿的影響等一系列科學和工程上的難題。
從20世紀40年代末起，各國就開發了多種磁籠途徑，並由之出發，對聚變能科學可行性展開了不同規模的理論與實驗探索研究。投入科學家及工程師上千人，經費總計每年超過10億美元。各途徑競爭非常激烈，其間紛爭不斷。在這過程中，人們對實現聚變能難度的認識也逐步加深。但從20世紀70年代開始，蘇聯科學家發明的"托克馬克"途徑逐漸顯示出了獨特的優點，並在80年代成為聚變能研究的主流途徑。托克馬克裝置又稱環流器，是一個由環形封閉磁場組成的"磁籠"。電漿就被約束在這"磁籠"中，很像一個中空的麵包圈,電漿環中感生一個很大的環電流。隨著各國大小不一的托克馬克裝置的建成、投入運行和實驗，托克馬克顯示了較為光明的前景：電漿達到了數百萬度，電漿約束也獲得了明顯效果。科學家們認識到，如果擴大此類裝置的規模，有可能獲得接近聚變條件的電漿。
20世紀90年代，在歐洲、日本、美國的幾個大型托克馬克裝置上，聚變能研究取得突破性進展。不論在電漿溫度、在穩定性及在約束方面都已基本達到產生大規模核聚變的條件。初步進行的氘-氚反應實驗，得到16兆瓦的聚變功率。可以說，聚變能的科學可行性已基本得到論證，有可能考慮建造"聚變能實驗堆"，創造研究大規模核聚變的條件。
21世紀，作為聚變能實驗堆，ITER要把上億度、由氘氚組成的高溫電漿約束在體積達837立方米的"磁籠"中，產生50萬千瓦的聚變功率，持續時間達500秒。50萬千瓦熱功率已經相當於一個小型熱電站的水平。這將是人類第一次在地球上獲得持續的、有大量核聚變反應的高溫電漿，產生接近電站規模的受控聚變能。
在ITER上開展的研究工作將揭示這種帶有氘氚核聚變反應的高溫電漿的特性，探索它的約束、加熱和能量損失機制，電漿邊界的行為以及最佳的控制條件，從而為今後建設商用的核聚變反應堆奠定堅實的科學基礎。對ITER裝置工程整體及各部件在50萬千瓦聚變功率長時間持續過程中產生的變化及可能出現問題的研究，不僅將驗證受控熱核聚變能的工程可行性，而且還將對今後如何設計和建造聚變反應堆提供必不可少的信息。
ITER裝置是一個能產生大規模核聚變反應的超導托克馬克。其裝置中心是高溫氘氚電漿環，其中存在15兆安的電漿電流，核聚變反應功率達50萬千瓦，每秒釋放多達1020個高能中子。電漿環在禁止包層的環型包套中，禁止包層將吸收50萬千瓦熱功率及核聚變反應所產生的所有中子。
在包層外是巨大的環形真空室。在下側有偏慮器與真空室相連，可排出核反應後的廢氣。真空室穿在16個大型超導環向場線圈（即縱場線圈）中。
環向超導磁體將產生5.3特斯拉的環向強磁場，是裝置的關鍵部件之一，價值超過12億美元。
穿過環的中心是一個巨大的超導線圈筒（中心螺管），在環向場線圈外側還布有六個大型環向超導線圈，即極向場線圈。中心螺管和極向場線圈的作用是產生電漿電流和控制電漿位形。
上述系統整個被罩於一個大杜瓦中，坐落於底座上，構成實驗堆本體。
整個體系還包括：大型供電系統、大型氚工廠、大型供水（包括去離子水）系統、大型高真空系統、大型液氮、液氦低溫系統等。
ITER本體內所有可能的調整和維修都是通過遠程控制的機器人或機器手完成。
優點
氘-氚聚變能具有資源無限，不污染環境，不產生高放射性核廢料等優點，是人類未來能源的主導形式之一，也是目前認識到的可以最終解決人類社會能源問題和環境問題、推動人類社會可持續發展的重要途徑之一。
現狀
堆積如山的技術難題、不斷攀升的巨額成本面前，世界上最大的科學工程之一——國際氘-氚熱核聚變實驗堆（ITER）計畫不得不修改既定的時間表。ITER理事會近日簽署了最新的完整日程計畫，確定在2025年12月實現第一束電漿，這比原計畫推遲了5年。為此，理事會正要求這一大型項目的七個成員方——中國、歐盟、印度、日本、俄羅斯、韓國和美國額外增加40億歐元的支出。
