[科普中国]-热核发电

简介

热核发电是利用受控热核反应，使聚变能持续地释放并转换成电能1。核聚变发电是21世纪正在研究中的重要技术，主要是把聚变燃料加热到1亿度以上高温，让它产生核聚变，然后利用热能。核聚变发电的最终实现还需很长的时间。

为了解决世界的能源与环境问题，发展新型低碳能源成为各国研究的热点，而核聚变能具有明显的优势，有望成为未来理想的能源。为此，为了探索受控热核聚变的可行性，国际上开展了各种核聚变实验，例如国际热核实验反应堆（ITER）、德国的W7-X仿星器、中国的HL-2A和 EAST、美国的DI-II-D和HB-TEP、德国的ASDEX-U、日本的JT-60U、英国的JET和俄罗斯的FT-2等装置。其中ITER计划，总投资高达百亿欧元，号称当今世界上最昂贵的大科学工程。2

热核电站热核电站利用受控热核反应，使聚变能持续地释放并转换成电能的装置。热核电站即是聚变电站，它的优点是：

(1)热核反应以海水中的氘为燃料，来源丰富；

(2)燃料便宜，可降低发电成本；

(3)安全，没有污染环境问题；

(4)有可能实现能量直接转换，提高热效率到90%，实现热核电站还需相当长时间，系统全面的研究工作和巨额投资。1

热核反应装置由于受控热核反应的诱人前景，各国科学家都在坚持不懈地努力设计、改进、探索受控热核反应的装置。典型的有，“托卡马克”(准稳态环形磁场受控热核装置)、仿量器类型装置(磁面装置)、磁镜装置、箍缩装置等。60年代以来，激光技术异军突起，取得了非常迅速的发展，激光加热有可能使热核聚变不再用传统的磁约束方法得以实现。随着科学技术的发展，近几年又提出许多新的实现受控热核反应的方案。目前正在计划利用重离子加速器，拟议加速127I的重离子让它馈入高能的贮存环，分成几路去轰击氘-氚小丸，引起聚变，初步预计它比激光聚变方案可能更为有利。另外也有人考虑用能量为100万电子伏特、电流强度为20万安培的所谓“强电流相对论电子束”去轰击氘-氚小丸，同样使小丸加热和压缩，从而实现热核反应。除了热核反应，已经发现所谓的“冷核反应”是实现轻核聚变的 一个发展方向，由于还有些问题解决不了，目前还不能实用。3

热核反应把轻元素物质加热到极高温度，使其原子核具有极大的热运动动能，在彼此碰撞时，克服强大的库仑斥力而进行的聚变反应。它分为两种：3

瞬间不可控热核反应它是利用原子弹爆炸的瞬间所造成的几百万度到到几千万度的高温而引起反应的，即氢弹爆作，这已在地球上实现。3

受控热核反应是目前各国科学家研究的前沿尖端课题。 3

受控热核反应条件产生可控制的热核反应比产生爆炸式的热核反应要复杂得多，也困难得多，因而至今还未得到完满解决。要产生可控制的热核反应必须具备下述一些条件：3

足够高的温度处于几百万度或几千万度(℃)的高温下的物质，基本上就是原子核气体和电子气体的混合体，物质的这种状态称为等离子气体状态。在几千万度的高温下，等离子气体中的每个原子核的平均热动能约为几千电子伏特，在这个能量下，聚变的概率还是很小。但是原子核的热运动能量是按统计规律分布的，亦即有一部分原子核的能量可能是很大的，因此就有一部分核可能进行聚变反应。温度越高，聚变的概率愈大，聚变反应进行的愈快。如果将锂和氢的混和物加热到2000万度，只需几秒钟就能全部聚变为氮。3

充分约束即把高温下的等离子气体约束在一定的区域内，并保持足够的时间，使其充分聚变。让高温高压下的等离子气体悬在容器当中，避免它和容器壁有任何接触，否则高温等离子气体会冷却下来，使反应不能进行。而且容器本身接触高温也会熔化甚至燃毁。3

相当低的密度高温下的等离子气体具有极高的压强。例如，氘在容器内加热到10万度(℃)时，压强可达1 500个大气压(约150兆帕)，而在几千万度高温时压强将更大，很易引起爆炸。为此，热核反应装置中的等离子气体密度必须很小。单位体积内的粒子数一般不超过10个，即相当于常温常压下气体密度的几万分之一，也即抽到高度真空。3

保证自持通常利用磁场对等离子气体进行约束，而对一定强度的磁场要有一个适当的等离子体密度。聚变反应产生的能量与等离子体气体的平方成正比，磁场不仅约束等离子体，不让它与容器接触，而且还可以对等离子体进行压缩，提高它的密度。处于高温下的等离子体的不稳定性，使它只能被约束一个很短的时间。为了使足够数量的等离子气体发生聚变反应，以便使由于反应所释放的能量足够抵偿维持这个反应时整个系统所消耗的能量，让聚变反应得以自持下去，就必须对参与反应时的等离子气体密度N和实现对它可靠约束时间τ之间有一个要求，即N·τ>Ao，此即所谓的劳逊判据条件。3

中国核电发展趋势中国正在加大能源结构调整力度。积极发展核电、风电、水电等清洁优质能源已刻不容缓。中国能源结构仍以煤炭为主体，清洁优质能源的比重偏低。

2014年中国运行核电机组22台，装机容量达2029.658万千瓦，核电发电量仅占全国发电量2.1%。在建的核电机组有26台，约2800万千瓦。预计到2020年前，中国在运核电装机达到5800万千瓦，在建3000万千瓦。到2050年，根据不同部门的估算，中国核电装机容量可以分为高中低三种方案：高方案为3.6亿千瓦（约占中国电力总装机容量的30%），中方案为2.4亿千瓦（约占中国电力总装机容量的20%），低方案为1.2亿千瓦（约占中国电力总装机容量的10%）。

中国国家发展改革委员会正在制定中国核电发展民用工业规划，准备到2020年中国电力总装机容量预计为9亿千瓦时，核电的比重将占电力总容量的4%，即是中国核电在2020年时将为3600-4000万千瓦。也就是说，到2020年中国将建成40座相当于大亚湾那样的百万千瓦级的核电站。

从核电发展总趋势来看，中国核电发展的技术路线和战略路线早已明确并正在执行，当前发展压水堆，中期发展快中子堆，远期发展聚变堆。具体地说就是，发展热中子反应堆核电站；为了充分利用铀资源，采用铀钚循环的技术路线，中期发展快中子增殖反应堆核电站；远期发展聚变堆核电站，从而基本上“永远”解决能源需求的矛盾。