聚變反應

聚變反應，除了重原子核鈾-235、鈽-239等的裂變能釋放核能外，還有另一種核反應，即輕原子核（氘和氚）結合成較重的原子核（氦）時也能放出巨大能量,這種核反應稱為聚變反應。

又稱核融合、融合反應或聚變反應。是指由質量小的原子，主要是指氘或氚，在超高溫和高壓的條件下，發生原子核互相聚合作用，生成新的質量更重的原子核－氦，並伴隨著巨大的能量釋放的一種核反應形式。 原子核中蘊藏巨大的能量，從一種原子核變化為另外一種原子核往往伴隨著能量的釋放。

基本介紹

• 中文名：聚變反應
• 外文名：Fusion reaction
• 屬性：核反應
• 優點：輻射低

優點

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。

實現方法

目前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於成功，但要達到工業套用還差得遠。按照目前技術水平，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）。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。

原理

核聚變的原理是：在標準的地面溫度下，物質的原子核彼此靠近的程度只能達到原子的電子殼層所允許的程度。因此，原子相互作用中只是電子殼層相互影響。帶有同性正電荷的原子核間的斥力阻止它們彼此接近，結果原子核沒能發生碰撞而不發生核反應。要使參加聚變反應的原子核必須具有足夠的動能，才能克服這一斥力而彼此靠近。提高反應物質的溫度，就可增大原子核動能。因此，聚變反應對溫度極其敏感，在常溫下其反應速度極小，只有在1400萬到1億度的絕對溫度條件下，反應速度才能大到足以實現自持聚變反應。所以這種將物質加熱至特高溫所發生的聚變反應叫作熱核反應，由此做成的聚變武器也叫熱核武器。要得到如此高溫高壓，只能由裂變反應提供。

熱核材料:核聚變反應一般只能在輕元素的原子核之間發生，如氫的同位素:氘和氚，它們原子核間的靜電斥力最小，在相對較低的溫度（近千萬攝氏度）即可激發明顯的聚變反應生成氦，而且反應釋放出的能量大，一千克聚變反應裝藥放出的能量約為核裂變的七倍。但在熱核武器中不是使用在常溫下呈氣態的氘和氚。氘採用常溫下是固態化合物的氘化鋰，而氚則由核武器進行聚變反應過程中由中子轟擊鋰的同位素而產生。1942年，美國科學家在研製核子彈過程中，推斷核子彈爆炸提供的能量有可能點燃氫核引起聚變，並以此製造威力比核子彈更大的超級彈。1952年1月，美國進行了世界上首次代號“邁克”的氫彈原理試驗，爆炸威力超過1000萬噸當量，但該裝置以液態氘作熱核材料連同貯存容器和冷卻系統重約65噸，不能作為武器使用，直到固態氘化鋰作為熱核裝料的試驗成功，氫彈的實際套用才成為可能。中國於1966年12月28日成功進行了氫彈原理試驗，1969年6月17日由飛機空投的300萬噸級氫彈試驗圓滿成功。

工作原理

核聚變反應堆的燃料來源十分充足，輻射泄漏處於正常範圍之內，與目前的核裂變反應堆相比，其放射性廢物更少。下面讓我們來了解這種前景廣闊的能源。

聚變反應

與其他能源相比，核聚變反應堆有幾項顯著的優點，因而一直備受媒體關注。它們的燃料來源十分充足，輻射泄漏處於正常範圍之內，與目前的核裂變反應堆相比，其放射性廢物更少。

迄今為止，還沒有人將這一技術套用到實踐中，但建造這種反應堆實際上已為期不遠。目前，核聚變反應堆正處於試驗階段，美國以及世界其他地區的多個實驗室都開展了這項研究。

美國、俄羅斯、歐洲和日本經過協商，建議在法國卡達拉什建立一座名為國際熱核試驗堆 (ITER) 的核聚變反應堆，旨在研究通過持續核聚變反應來發電的可行性。在本文中，我們將介紹關於核聚變的知識，並了解 ITER 反應堆的工作方式。

相關概念

同位素

同位素是指質子數和電子數相同，但中子數不同的同一類元素的原子。下面是核聚變中一些常見的同位素：

氕是帶一個質子而沒有中子的氫同位素。它是氫的最常見的一種形式，也是宇宙中最普遍的元素。 氘是帶一個質子和一個中子的氫同位素。它不具有放射性，可從海水中提取。 氚是帶一個質子和兩個中子的氫同位素。氚具有放射性，半衰期約為 10 年。氚不會自然形成，但用中子轟擊鋰可產生氚。 氦 3 是帶有兩個質子和一個中子的氦同位素。 氦 4 是氦在自然界中最為普遍的一種形式，它帶有兩個質子和兩個中子。

目前的核反應堆利用核裂變來產生能量。在核裂變中，能量是通過一個原子分裂為兩個原子來釋放的。在傳統的核反應堆中，鈾的重原子在高能中子的轟擊下發生裂變，這會生成巨大的能量，同時產生長期的輻射和放射性廢物（詳見核能工作原理）。

核聚變的能量是通過兩個原子合併為一個原子而產生的。在核聚變反應堆中，氫原子發生聚變，進而形成氦原子、中子，並釋放巨大的能量。氫彈和太陽的能量就是靠這種反應提供的。與核裂變相比，核聚變所產生的能量更加清潔、安全、高效，其能量來源也更為豐富。

核聚變反應分為多種類型。其中大多數都涉及氫的同位素氘和氚：

質子

質子鏈 -- 這一序列是太陽等恆星中最主要的核聚變反應模式。

兩個中子形成兩個氘原子。

每個氘原子與一個質子結合，生成一個氦 3 原子。

兩個氦 3原子結合，生成不穩定的鈹 6。

鈹 6 衰變為兩個氦 4 原子。

這些反應會生成高能粒子（質子、電子、中子、正電子），並放出輻射（光線、伽馬射線）。

氘-氘反應 -- 兩個氘原子結合，生成一個氦 3 原子和一個中子。

氘-氚反應 -- 一個氘原子和一個氚原子結合，生成一個氦 4 原子和一個中子。其中大部分能量以高能中子的形式的釋放。

從概念上講，利用反應堆中的核聚變十分容易。但為了讓這一反應以可控、無害的方式進行，科學家們歷經周折。為了了解其中的緣由，我們需要先看一下發生核聚變的必要條件。

當氫原子聚合時，它們的原子核必須結合在一起。然而，由於每個原子核中的質子都帶有相同的電荷（正電），因而會互相排斥。如果你曾試著將兩塊磁鐵放在一起並感到它們互相推開，則意味著你已親身體驗了這一原理。

若要實現核聚變，你需要創造一些特殊的條件來克服這種排斥力。下面是發生核聚變的一些必要條件：

高溫

-- 高溫可為氫原子提供足夠的能量，以克服質子之間的電荷排斥。

核聚變需要的溫度約為 1 億開（約是太陽核心溫度的六倍）。

在這樣的高溫下，氫的狀態為電漿，而不是氣體。電漿是物質的一種高能狀態，其中所有電子都從原子中剝離出來，並可以自由移動。

太陽的高溫是由重力壓縮核心的巨大質量而產生的。我們要製造出這樣的高溫，就必須利用微波、雷射和離子粒子的能量。

高壓-- 壓力可將氫原子擠在一起。氫原子之間的距離必須在 1x10^-15 米以內，才能進行聚合。

太陽利用其質量和重力將核心內的氫原子擠壓在一起。

我們要將氫原子擠壓在一起，必須使用強大的磁場、雷射或離子束。

藉助目前的技術，我們只能實現發生氘-氚聚變所需的溫度和壓力。氘-氘聚變需要的溫度更高，這種溫度有可能在將來實現。基本上，利用氘氘聚變會更加方便，因為從海水中提取氘比從鋰中提取氚要更加容易。另外，氘不具有放射性，而且氘氘反應可釋放更多的能量。

有兩種方法可實現發生氫聚變所需的溫度和壓力：

磁約束使用磁場和電場來加熱並擠壓氫電漿。法國的 ITER 項目使用的就是這種方法。

慣性約束使用雷射束或離子束來擠壓並加熱氫電漿。在美國勞倫斯利弗莫爾實驗室的國家點火設施中，科學家們正在對這種試驗方法展開研究。

反應堆

ITER Tokamak 反應堆

我們首先探討磁約束。下面是它的工作原理：

加速器釋放出微波、帶電粒子束和中性粒子束，用於加熱氫氣的氣流。在高溫下，氫氣從氣態變為電漿。這種電漿受到超導磁體的擠壓，進而發生聚變。在用磁場約束電漿時，最有效的磁體形狀是麵包圈形（即環形）。

聚變反應

採用這種形狀的反應堆稱為 Tokamak。ITER Tokamak 將是一個獨立式反應堆，其部件都裝在不同的盒子中。進行維護時，工作人員可以方便地插入和拔出這些盒子，而不必拆開整個反應堆。該 Tokamak 的電漿環形室將採用 2 米的內半徑和 6.2 米的外半徑。

下面我們來詳細考察 ITER 核聚變反應堆，看看磁約束是如何起作用的。

組件

ITER Tokamak 反應堆的主要組件包括：

真空室 -- 用於盛放電漿，並將反應室置於真空中

中性束注入器（離子迴旋系統）-- 將加速器釋放的粒子束注入電漿中，以便將電漿加熱到臨界溫度

磁場線圈（極向環形）-- 用磁場來約束、定型和抑制電漿的超導磁體

變壓器/中央螺線管-- 為磁場線圈供電

冷卻設備（冷凍機、低溫泵）-- 用於冷卻磁體

包層模組 -- 由鋰製成，用於吸收核聚變反應中的熱量和高能中子

收集器 -- 排出核聚變反應中的氦產品

作用機制

下面是磁約束核聚變過程的作用機制：

核聚變反應堆加熱氘和氚燃料的氣流，使之形成高溫的電漿。接下來，反應堆對電漿施加壓力，繼而發生聚變。

啟動核聚變反應所需的電能約為 70 兆瓦特，但該反應生成的電能約為 500 兆瓦特。

核聚變反應將持續 300 到 500 秒（最終將形成持續的核聚變反應）。

電漿反應室外部的鋰包層將吸收核聚變反應中釋放的高能中子，從而產生更多的氚燃料。在高能中子的作用下，這些包層也會被加熱。

水冷迴路將熱量轉移至熱交換器，最終形成蒸氣。

蒸氣將被重新壓縮成水，以便讓熱交換器吸收反應堆中的更多熱量。

起初，ITER Tokamak 將測試建造持續核聚變反應堆的可行性，最終將變為一座測試核聚變發電廠。

在勞倫斯利弗莫爾實驗室的國家點火設施 (NIF) 中，科學家們正在試驗用雷射束來誘發聚變。在 NIF 設備中，192 條雷射束將聚焦於一個直徑為 10 米的靶室上的一點，這個靶室稱為黑體輻射空腔。根據科學和工程百科全書，黑體輻射空腔是指“腔壁與腔內的輻射能量達到平衡的腔”。

在靶室內部的焦點上，將有一個豌豆大小的氘-氚粒狀物，其外側包有一個小型塑膠圓筒。雷射的能量（180 萬焦）將加熱圓筒，並生成 X射線。在高溫和輻射的作用下，粒狀物將轉化為電漿，且壓力不斷升高，直至發生聚變。核聚變反應壽命很短，大約只有百萬分之一秒，但它釋放的能量是引發核聚變所需能量的 50 到 100 倍。在這種類型的反應堆中，需要相繼點燃多個目標，才能產生持續的熱量。據科學家估計，每個目標的成本可控制在 0.25 美元左右，從而大大降低了核電廠的成本與磁約束核聚變反應堆類似，慣性約束核聚變中的能量也將被轉移至熱交換器生成蒸氣，進而通過蒸氣來發電。

目前，NASA 正在研製一種小型的核聚變反應堆，用於為深空火箭提供動力。核聚變推進器具有無限的燃料供應（氫），其效率更高，可令火箭飛得更快。