[科普中国]-受控核聚变

原理

在一定条件下，一个氘核(由一个质子一个中子组成)和一个氚核(由一个质子和二个中子组成)会发生聚变核反应，生成一个氦核(二个质子和二个中子组成)，并放出一个中子。精密的测量表明，氦核加上一个中子的质量之和小于一个氘核与氚核反应前的质量之和，发生了明显的质且亏损。根据著名的爱因斯坦质能公式E=mc2，反应过程中出现的质量亏损转化为巨大的能量释放出来。反应条件是将一定密度的等离子体加热到足够高的温度，并且保持足够长的时间，使聚变反应得以进行。

由于核聚变等离子体温度极高(达上亿度)，任何实物容器都无法承受如此高的温度，因此必须采用特殊的方法将高温等离子体约束住。像太阳及其他恒星是靠巨大的引力约束住1000万～ 1500万摄氏度的等离子体来维持聚变反应,而地球上根本没有这么大的引力，只有通过把低密度的等离子体加热到更高的温度(1亿度以上)，来引起聚变反应。通过人工方法约束等离子体主要有两种途径,即惯性约束和磁约束。2

受控核聚变分类通过人工方法约束等离子体主要有两种途径，即惯性约束和磁约束。惯性约束是利用高功率密度的激光束或其他粒子束将内含氘氚燃料的微丸在极短的时间内压缩爆达到极高的密度，同时将氘氚离子加热到热核聚变反应温度，并在向心聚爆形成的等离子体飞散以前(即利用等离子体向内运动的惯性)产生足够的聚变反应，获得能量增益。

磁约束核聚变磁约束是在一定的真空容器中，将氘氚燃料用特殊的加热方法加热到聚变反应温区(即1亿度以上)以点燃氘氚反应，利用特殊设计的“磁笼子”将这种高温等离子体稳定地约束在该真空容器内，使聚变反应能够稳定进行。围绕这种“磁笼子”的设计和建造，人类已经走过了半个多世纪艰苦的历程。

氘、氚等较轻的原子核聚合成较重的原子核时，会释放大量核能，但这种聚变反应只能在极高温下进行，任何固体材料都将熔毁。因此，需要用特殊形态的磁场把由氘、氚等原子核及自由电子组成的一定密度的高温等离子体约束在有限体积内，使之脱离器壁并限制其热导，这是实现受控热核聚变的重要条件。

两端呈瓶颈状的磁力线，因瓶颈处磁场较强（也称作磁镜）能将带电粒子反射回来 ，从而限制粒子的纵向（沿磁力线方向）移动，使粒子在作回旋运动的同时，不断地来回穿梭，被约束在两端的磁镜之间，但是仍有一部分其轨道与磁力线的夹角小于某值的带电粒子会逃逸出去。为了避免带电粒子的流失，曾经把磁力线连同等离子体弯曲连接成环形；后来又改进为呈8字形的圆环形磁力线管，称为仿星器；实验上现最有成效的磁约束装置是托卡马克装置，又称环流器，它是环形螺线管，其中的磁力线具有螺旋形状。

惯性约束聚变惯性约束聚变（inertial confinement fusion）是利用粒子的惯性作用来约束粒子本身，从而实现核聚变反应的一种方法。其基本思想是：利用驱动器提供的能量使靶丸中的核聚变燃料（氘、氚）形成等离子体，在这些等离子体粒子由于自身惯性作用还来不及向四周飞散的极短时间内，通过向心爆聚被压缩到高温、高密度状态，从而发生核聚变反应。由于这种核聚变是依靠等离子体粒子自身的惯性约束作用而实现的，因而称为惯性约束聚变。

激光技术的发展为实现受控热核聚变提供了条件 ，现代激光技术能产生聚焦良好的能量巨大的脉冲光束。采用多路高强脉冲激光对称地集射到球形氘氚靶丸上使之加热，表面消融为高温等离子体，高速喷射出来产生强大的反冲力，挤压靶芯，使之温度和密度急骤升高而发生聚变。除了采用激光束外，也可采用电子束或离子束。

发展历程其实早在五十年代初地球上就实现了聚变核反应，这就是氢弹的爆炸。它是依靠原子弹爆炸时形成的高温高压，使得氢弹里面的热核燃料氘氚发生聚变反应，释放巨大能量，形成强大无比的破坏力。可惜这种瞬间的猛烈爆炸无法控制。要把聚变时放出的巨大能量作为社会生产和人类生活的能源，必须对剧烈的聚变核反应加以控制，因而称为受控核聚变。2

自阿特金森(Atkinson)和豪特曼斯 (Houtemans) (1929) 提出太阳的能量来源于热核反应的假说以后，研究虽然困难重重，但一直在继续发展。第 二次世界大战期间，出现了采用裂变爆炸引发核聚变的设想，并由美国第一个热核装置的爆炸成功所证 实。美国有四个实验室早就着手这方面的研究工作， 苏联也在研究。1958年和平利用原子能国际会议后，美苏等国公开了自己的研究成果，加强了国际合作。此后，稀薄等离子体的研究工作在许多国家进行 着。迄今为止，聚变有两条截然不同的途径，一条途径是利用非常稀薄的燃料，因而反应速度慢，利于控 制；另一条途径是使燃料达到极高的密度，在高温高 密度下进行聚变反应。磁约束聚变装置也在不断发展 和改进。由于受控核聚变具有原料充足、经济性能优异、安全可靠、无环境污染等优势，因而有望成为人类取之不尽、用之不竭的理想能源。2

面临问题受控核聚变技术难度极高，核聚变的条件相当苛刻，要求具有足够高的点火温度（几千万摄氏度甚至几亿摄氏度的高温）、非常高的气体密度（相当于常温常压下气体密度的几万倍），并保持温度和密度足够长的时间等。2

人们现在还不能进行受控核聚变，这主要是因为进行核聚变需要的条件非常苛刻。发生核聚变需要在1亿度的高温下才能进行，因此又叫热核反应。可以想象，没有什么材料能经受得起1亿度的高温。此外还有许多难以想象的困难需要去克服。2

受控核聚变的主要研究内容：①等离子体的特性 及行为；②等离子体的不稳定性；③磁约束聚变装置的类型，托卡马克装置，仿星器、磁镜以及磁箍缩的研究和改进；④压缩聚变系统；⑤等离子体的射频加热；⑥磁约束聚变堆；⑦聚变裂变堆。受控核聚变由 于其技术的复杂性，达到实用阶段还存在一些困难的问题。近年来出现的室温下的核聚变，已在许多国家 的实验中重复出现，目前这一概念虽然还存在争议， 将来核聚变能将会成为人类重要的能源之一。3