聚變反應堆

核聚變反應指在高溫、高壓和高密度的條件下，兩個質量較小的原子核結合成質量較大的新核，反應的同時會釋放出巨大能量。

基本介紹

• 中文名：聚變反應堆
• 外文名：Fusion reactor
• 技術：核聚變
• 歸屬學科：物理學，核科學

核聚變反應

如下圖所示：

例如，氘核和氚核在一定條件下（如超高溫、高壓）可以聚變為氦核，在發生聚變反應的同時，會釋放出巨大能量。核聚變反應所產生的能量比核裂變反應所產生的能量更大。太陽內部連續進行著氫聚變成氦的過程，它的光和熱就是由這種不斷的核聚變反應產生的。

核聚變反應示意圖

核聚變的套用

主要有軍事用途（不受控制的核聚變）和民用發電（受控核聚變）兩種。人類已經可以實現不受控制的核聚變，如氫彈的爆炸。但是要想能量可被人類有效利用，必須能夠合理地控制核聚變的速度和規模，實現持續、平穩的能量輸出。科學家正努力研究如何控制核聚變。

（一）聚變電廠

為了實現聚變的可控利用，科學家進行了多種嘗試，這些研究包括：

（1）托卡馬克：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“托卡馬克裝置”——TOKAMAK，即俄語中由“環形”、“真空”、“磁”、“線圈”單詞的首字母組成的縮寫。早在1954年，在原蘇聯庫爾恰托夫原子能研究所建成了世界上第一個托卡馬克裝置。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，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，這使得全世界看到了希望，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，日本的JT-60和美國的TFTR（托卡馬克聚變實驗反應器的縮寫）。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，新建了環流二號。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。

（2）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，地點在法國的卡達拉申，這個項目從1985年開始，由蘇聯、美國、日本和歐盟共同提出，目的是建立第一個試驗用的聚變反應堆。

（3）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，它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：第一次採用了非圓形垂直截面，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工夫，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使用。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。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。

（二）氫彈

氫彈是利用核子彈爆炸的能量點燃氫的同位素氘、氚等質量較輕的原子的原子核發生核聚變反應（熱核反應）並瞬時釋放出巨大能量的核武器，又稱聚變彈、熱核彈、熱核武器。氫彈的殺傷破壞因素與核子彈相同，但威力比核子彈大得多。核子彈的威力通常為幾百至幾萬噸級TNT當量，氫彈的威力則可大至幾千萬噸級TNT當量。還可通過設計增強或減弱其某些殺傷破壞因素，其戰術技術性能比核子彈更好，用途也更廣泛，其爆炸中心溫度可達3.5億攝氏度，遠遠高於太陽中心溫度（約1 500萬攝氏度）。

1967年6月17日中國自行設計、製造的第一顆氫彈在中國西部地區上空試爆成功，震驚世界的蘑菇雲異常炫目耀眼。氫彈的爆炸成功，使中國真正跨入核大國的行列。

第一顆氫彈的爆炸成功，是中國核武器發展史上的又一次飛躍。它對於加強中國的國防能力有著極其重要的現實意義。中國擁有了氫彈，對於提高中國的國際地位，維護世界和平和第三世界國家的利益，有著戰略性的作用。

第一顆氫彈爆炸成功後，中國政府再次鄭重聲明：“中國進行必要的有限制的核試驗，發展核武器，完全是為了防禦。其最終目的是為了消滅核武器。我們再一次鄭重宣布，在任何時候，任何情況下，中國都不會首先使用核武器。我們說的話，從來是算數的。中國人民和中國政府將一如既往地繼續同全世界一切愛好和平的人民和國家一道，共同努力，堅持鬥爭，為完全禁止和徹底銷毀核武器的崇高目標而奮鬥！”

未來發展方向

目前聚變的套用主要是核武器，和裂變一樣，和平利用聚變能發電是科學家正在努力的方向。裂變堆的核燃料有限，而且廢物處置問題相當麻煩，相比核裂變，核聚變幾乎不會帶來放射性污染等環境問題，而且其原料可直接取自海水中的氘，來源幾乎取之不盡，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。氘—氚聚變反應將釋放巨大的能量，一升海水中含30毫克氘，通過聚變反應可釋放出的能量相當於300多升汽油的能量。要實現持續的輕核聚變反應，要求相當苛刻，必須在超高溫和高壓的情況下發生，而且伴隨著巨大的能量釋放，溫度可達上億攝氏度，幾乎沒有任何材料可以承受。人類已經實現不受控制的核聚變，如氫彈的爆炸，但要想有效利用核聚變釋放的能量，必須合理控制核聚變的速度和規模，實現持續、平穩的能量輸出。為了早日能夠實現聚變能的可控釋放，科學家進行了很多嘗試，提出了很多種解決方法。

（一）磁約束型核聚變

磁約束型聚變反應堆是用特殊形態的磁場把氘、氚等輕原子核和自由電子組成的、處於熱核反應狀態的超高溫電漿約束在有限的體積內，使它受控制地發生大量的原子核聚變反應，釋放出原子核所蘊藏的能量。磁約束熱核聚變是當前開發聚變能源中最有希望的途徑，在受控核聚變的探索方面，已提出了許多種磁約束途徑，其中環形磁約束裝置（托卡馬克）是目前各個實驗方案中最成功的方法。托卡馬克的中央是一個環形的真空室，外面纏繞著線圈，在通電的時候托卡馬克的內部會產生巨大的螺旋形磁場，將其中的電漿加熱到很高的溫度，以達到核聚變的目的。中科院電漿所的EAST採用世界上第一個非圓截面全超導托卡馬克，西南物理研究院的中國環流器一號以及國際熱核聚變實驗堆（ITER）計畫也都採用托卡馬克的原理實現聚變能的可控釋放。磁約束設備比較大，但反應持續性能好，不需要反覆點火，適合作為核電廠、大型船舶的供電系統，但其缺點在於開關火性能不佳，靈活度不夠，而且維持強磁場所需的電能成本也不低。

（二）慣性約束型核聚變

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），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（大概需要幾十億攝氏度）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皮秒等於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。慣性約束中雷射約束技術最為成熟，這主要是因為雷射技術能產生聚焦良好的能量巨大的脈衝光束，因此我國的神光裝置以及美國的國家點火裝置都採用這種核聚變約束形式。另外，中國工程物理研究院研製的Z箍縮驅動聚變技術也屬於慣性約束，它是利用脈衝功率技術，創造大電流從金屬套筒（後變為電漿）流過的條件，產生超強電磁內爆，使電漿套筒獲得足夠的內爆動能，然後與聚變靶丸相互作用，把動能變為輻射能，近似球對稱低壓縮熱核燃料，最終實現大規模的熱核聚變。慣性約束的好處在於設備可以做小，而且開、關火控制性能也比較好，適合在未來用於飛行器等領域，但其缺點是需要消耗大量能源產生雷射用來點火，而且燃料靶丸製造成本也很高。

（三）聚裂變混合堆

目前的聚變技術，包括進展得比較快的托卡馬克，為了獲得有益的能量輸出，要求聚變產生的能量，遠大於為創造實現聚變的條件而消耗的能量，距離商業套用還有相當一段距離。而聚變裂變混合堆只要求聚變產生的能量與消耗的能量差不多相等就可以了，因而它對聚變的要求比純聚變堆容易些，是實現聚變能商業套用的捷徑。所謂聚變裂變混合堆就是利用聚變反應產生的中子，在聚變反應室外的鈾-238、釷-232包層中，生產鈽-239或鈾-233等核燃料，同時釋放出裂變能。從能量得失來看，聚變裂變混合堆利用裂變倍增了聚變能，其值可達一個數量級，因此聚變堆芯只要接近或達到能量得失相當，就有建造的意義。在混合堆中，聚變要不斷加料才得以維持，而裂變處於次臨界狀態，不存在超臨界等安全問題。當前一些大型托卡馬克裝置已達到混合堆的聚變堆芯要求，而裂變是成熟技術可以直接採用。混合堆減輕了對材料的要求，是純聚變堆商用的過渡堆型。

（四）核爆聚變電廠

所謂核爆聚變電廠就是利用聚變裝置爆炸釋放的能量來發電，聚變裝置的設計原理和氫彈基本相同。由於核爆炸釋放的能量是瞬間的，而且非常巨大，因此如何將核爆炸的能量安全地轉化成可以利用的熱能和電能，技術難度非常大。在構想的電廠當中，核裝置在一個巨大的洞室中爆炸，爆炸之前往洞中噴液態金屬鈉，並使鈉在爆炸時刻在爆炸裝置的周圍形成一定的分布從而大量吸收爆炸的能量，同時還可以有效降低爆炸衝擊對爆破洞壁的作用強度。爆炸後，把加熱了的鈉從洞中抽出，與電廠第二迴路形成熱交換，從而發電。當然要實現核爆聚變電廠，還需要解決很多問題，例如核燃料的生產和回收問題、安全地把核爆炸能轉換為熱能和電能，同時還要大幅減少工程技術上的難度。

除了以上幾種利用聚變能的方式，科學家還研究了重力場約束型核聚變、常溫核聚變、L子催化核聚變、超音波核聚變以及氣泡核聚變等聚變方法，這些都是人們試圖實現核聚變受控，實現能量持續平穩輸出的有力嘗試。希望能夠通過人們的不斷努力，讓我們早日用上能量取之不盡用之不竭的人造“小太陽”，從而在享受現代科技帶來的舒適便利之時，又採用清潔、安全的能源而不污染環境。

核聚變反應堆

實現受控熱核反應，使人類掌握聚變能，是目前科學上的一個重大課題。輕核的聚變必須在高溫下才能有效地進行，溫度越高，反應的機率越大。對於最容易實現聚合的氘氚反應，也需要一億開以上的溫度條件，此時燃料（氘氚混合物）早已變成完全電離的物質第四態——由電子和離子組成的電漿。為了產生足夠的聚變能量以維持所需的溫度，必須把這種電漿足夠長時間地約束在特定的空間區域內。太陽靠它的強引力場保持住大部分燃料不至於飛散，地球上可用的約束方法，有磁約束和慣性約束兩種，均在實驗研究中。開發聚變能得難度很大，除了要達到自持聚變反應所需的密度、溫度和能量約束諸條件以外，工程上的電漿控制、耐輻照材料、遠距離維修等問題尚需進行很多研究。

2006年11月21日。這是值得記錄的日子。國際熱棱聚變實驗反應堆計畫協定在法國巴黎簽署。這是人類探索聚變能源開發的歷史性時刻。總投資100億歐元，實驗室建在法國；這是一次大型國際合作，歐盟、中國、美國、日本、韓國、俄羅斯和印度參加，成果平等共享；計畫歷時35年（10年建成，20年試驗運行，5年停運關閉）；計畫新建一座圓環型磁懸浮實驗室。把聚合反應堆置於其中。該裝置可望在2020年完成，預計到下半世紀可能實現聚變能商用示範裝置。

聚變能源比裂變反應堆的優點是：（1）裂變核燃料鈾和釷的儲量仍然有限，氘氚聚變反應以海水中的氘為燃料，1L海水所含的氘可釋放約7500MJ聚變能，相當於230L汽油或250kg煤，可期望一勞永逸地解決能源資源問題；（2）聚變核燃料價格便宜，可使發電成本大大降低，促進經濟的發展；（3）特別安全，不會發生像裂變反應堆超臨界或燃料融化等事故，也沒有裂變產物污染環境的問題；（4）放射性廢物的數量大大減少，沒有長壽命放射性核素，較易處置；（5）有可能實現將電漿帶電粒子中的能量直接轉變為動力，其熱效率高達90%，使熱污染問題大為減輕。此外，如同裂變堆，它也不產生大氣污染，不排放溫室氣體。

(共1頁)關鍵字：反應堆,核聚變,法國巴黎,國際合作,實驗室,能源開發,歷史性