[科普中国]-核聚变能源

简介

核聚变反应是恒星发光发热的能量来源。其能量产生的方式，是经由重力将氢原子压缩加热成为高密度高温度的电浆状态，并进行核聚变反应以释放能量。在核聚变反应过程中，一部分氢核子质量转换为能量。但是，利用氢核子的同位素氘与氚的核聚变才是最容易实现的核聚变反应。目前，如何控制高温状态下，氘和氚的混合气体形成的电浆的温度以实现最佳的核聚变反应速率，是相当关键的技术。

核聚变的氘和氚燃料很容易取得，氘可以从海水提炼，在水中每 7000 个氢元素就有一个氘同位素，而氘的提炼成本低廉。每一公升的海水中含有 30mg 的氘，而 30mg 的氘经核聚变产生的能量相当于 300L 汽油。虽然由于氚具有 13年的半衰期，它不存在于自然界中，但可以从锂元素中提炼。每一个氘氚核聚变产生的中子可以在反应器中碰撞锂滋生围包层，产生一个氚原子。只需要 1t 的氘和 10t 的锂，核聚变发电厂就能每年以十亿瓦特的功率发电，等同于火力发电厂燃烧掉 200 万 t 的煤炭或 130 万 t 的石油，或者等同于核能发电厂消耗掉 30t 的二氧化铀燃料所生产的电力。氘氚来源充足，据估计全球海水中有 45 万亿 t 氘，可以提供世界 100 亿年的能源，几乎是取之不尽、用之不竭。核聚变发电厂的基本设计与核分裂核能发电厂类似，只是反应器不同。核聚变发电厂已被公认是所有基载发电系统中最不影响环境且最安全的替代方案。核聚变燃料的生产并不使用放射性物质，而且不直接产生放射性废料。但是反应器结构材料因吸收中子会产生半衰期很短的低放射性。通过精心的设计及材料选择可以减少放射性而确实达到低危害性。

安全性（1）核聚变不会产生任何放射性废料，没有废料难解的技术与政治问题；

（2）只要减少电浆密度或氘氚供给，核聚变反应可以随时终止，其控制性比现行核分裂反应器要容易；

（3）即使发生最糟糕的核聚变灾变也不至于对电厂周围的居民产生重大危害；

（4）核聚变发电厂运转所造成的低放射性结构材料并不需长时间封存，因此将不会对下一代构成负担。

和目前所知的所有能源相比，核聚变产生的能源是最理想的，不仅燃料充足，又不产生温室气体及高放射性核废料，对气候与环境几乎没有冲击，将可大幅地降低环境污染问题。核聚变能源将会是取代化石能源，供给人类洁净能源的最好选项。如果采用核聚变机制的核能发电能成功，将为人类提供取之不尽的洁净能源，可以满足人类的能源需求，可以说是最终解决了人类对永续洁净能源需求的问题。

发展展望燃烧化石燃料所造成的全球气候与气候变化的社会与经济成本相当高，加之再生能源因受天候影响与地理环境的限制，且在没有价廉且大量电力的储存技术之下，将不大可能能供给稳定的电力，从而无法满足世界的能源所需。因此，环境友好且不受天气气候影响并具有稳定能源供给能力者将成为主要的能源供给來源。和目前所知的所有能源相比，氘与氚核聚变产生的能源最理想，它的发展将是长期性世界经济成长与避免环境恶化的关键。因此核聚变能源是最友善环境的永续能源，极有可能成为人类能源的最终解决方案。

美国国家工程学会早在 2008 年就发表声明，核聚变能源研发将是 21 世纪 14 项科技发展的重大挑战之一。欧洲、日本、美国、俄罗斯、中国、印度与韩国等涵盖了超过世界四分之三以上人口的国家于 2005 年决定合作建造下一代输出能量为输入能量 5 倍以上，电浆电流脉冲长度为 500s，且输出功率为 5 亿瓦的“国际热核聚变实验堆（ITER）”。

ITER 反应器坐落在法国，计划 2020 年以前完成兴建，并且开始运转。ITER 将克服的科技挑战包含燃烧电浆的控制与其物理机理的解读、安全与有效氚燃料的萃取以及有关材料的科学问题。ITER 将成为世界第一个产出能量远大于输入能量的核聚变实验反应炉，为建造大量生产核聚变能源的反应炉作准备，在 2050 年以前，人类有可能开始使用核聚变能源。

NIF工程

核聚变的启动能量来源也是核聚变中也是很重要的，自从1994年被称为“国家点火设施”的激光核聚变计划被正式签发以来，美国科学家便将希望寄托在在这国家点火装置（NIF）上了。国家点火装置（NIF）位于美国加利福尼亚州劳伦斯一利弗莫尔国家实验室，有850名科学家和工程师。另外大约有100名物理学家在那里设计实验。国家点火装置（NIF）长215米，宽120米，大约同古罗马圆形竞技场一样大，是目前世界上最大和最复杂的激光光学系统，它将模拟同太阳和其他恒星内部相似的条件，使氢原子核发生聚变形成氦核，并释放能量，其目的是成为第一个突破平衡点的设施，即激光在聚变反应中产生的能量大于它们所消耗的能量，从而在实验室条件下实现人类历史上的第一次聚变点火。NIF注入激光系统由主振室、预放模块、输入探测包和预放光束传输系统四部分构成,负责产生全系统的种子脉冲,经过时间和空间整形、位相调制、放大和分束后,实现焦耳级输出。它将192条激光束集中于一个花生米大小的、装有重氢燃料的目标上。每束激光发射出持续大约十亿分之三秒、蕴涵180万焦耳能量的脉冲紫外光——这些能量是美国所有电站产生的电能的500倍还多。当这些脉冲撞击到目标反应室上，它们将产生X光。这些X光会集中于位于反应室中心装满重氢燃料的一个塑料封壳上。NIF研究人员估计，x光将把燃料加热到一亿度，并施加足够的压力使重氢核生聚变反应。释放的能量将是输入能量的15倍还多。

国家点火装置已经基本上完成了其建设工作，它将于2009年3月竣工。届时，研究人员将开始准备为聚变点火，第一次实现暂定于2010年，核聚变实验定于2011年。调试工作包括进行一系列优化和测试实验，以获取点火实验所必需的关键激光参数和点火靶参数。这些调试工作将在第一次点火打靶前完成。点火实验对靶工作性能的要求主要体现在：力能学性能、对称性，激波时序以及靶丸流体动力学。研究人员推测，一旦核聚变实验成功，我们将有可能在2020年建成第一座核聚变发电厂，而在那不久后，其会很快的商业化。在那一天，科学家们这几十年来追寻的梦想，将成为现实。

中国可控核聚变装置

成都核工业西南物理研究院在受控核聚变实验装置——中国环流器二号A装置上首次实现了偏滤器位形下高约束模式运行。专家指出，这是我国磁约束聚变实验研究史上具有里程碑意义的重大进展，标志着中国磁约束聚变能源开发研究综合实力与水平得到了极大提高。

位于成都的核工业西南物理研究院在受控核聚变实验装置——中国环流器二号A装置上首次实现了偏滤器位形下高约束模式运行。

专家指出，这是中国磁约束聚变实验研究史上具有里程碑意义的重大进展，标志着中国磁约束聚变能源开发研究综合实力与水平得到了极大提高。欧洲物理学会主席瓦格纳等国际著名聚变专家闻讯后纷纷向中国科学家表示祝贺。

磁约束核聚变是利用强磁场约束高温高密度等离子体，从而产生可以控制的核聚变反应。按照普通的低约束模式运行，其装置规模极为庞大，加热及控制技术难度极高，建造及运行成本极为昂贵。高约束模式是实现聚变能源开发的关键一步，一直是核聚变科学领域的前沿研究难题。正在规划建设中的国际大科学工程――国际热核聚变实验堆将采用高约束模式运行。国际上只有美国、日本、欧洲的一些装置能实现高约束模式运行。

实现高约束模式运行，需要包括加热、控制(包括位形、密度、杂质、再循环控制的改善)、电源、器壁处理、偏滤器抽气及诊断等能力同时达到较高水平。

中国科学家致力于实现高约束模式的研究，进行了大量艰苦细致的工作。在国家有关部委的支持下，核工业西南物理研究院坚持自主创新，在中国环流器二号装置上完善了实验条件，进一步提高了装置性能。继2003年实现偏滤器位形放电后，又瞄准聚变前沿领域，自主研制了中国国内输出功率最大的中性束和电子回旋加热系统，在中国环流器二号A装置上首次实现了高约束模式运行。

核物理学家、中国科学院资深院士李正武说，实现高约束模式运行为开展国际聚变界热点问题的研究创造了一个全新的平台，为更高水平的研究创造了条件，必将加快中国聚变能源研究的步伐。