[科普中国]-核聚变发电

核聚变

核聚变，又称核融合、融合反应或聚变反应，是将两个较轻的核结合而形成一个较重的核和一个很轻的核（或粒子）的一种核反应形式。两个较轻的核在融合过程中产生质量亏损而释放出巨大的能量，两个轻核在发生聚变时因它们都带正电荷而彼此排斥，然而两个能量足够高的核迎面相遇，它们就能相当紧密地聚集在一起，以致核力能够克服库仑斥力而发生核反应，这个反应叫做核聚变。

聚变是轻核（主要是氢的同位素氘和氚）聚合成较重的原子核，同时释放出巨大能量的过程，太阳发光发热和氢弹爆炸就是这样的原理。聚变能的特点是：聚变反应释放出大量的能量（一升海水中的氘通过聚变反应可释放出相当于300升汽油燃烧的能量）；聚变资源丰富（地球上海水中所含的氘，如果用于氘氘聚变反应可供人类用上亿年，而用于产生氚的锂也有比较丰富的储量）；聚变的反应产物是比较稳定的氦。由于其固有的安全性、环境的优越性、燃料资源的丰富性，聚变能被认为是人类最理想的洁净能源之一。

早在上世纪五十年代初人类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，使得热核燃料氘氚发生聚变反应，释放巨大的能量，形成强大的破坏力。但是氢弹瞬间的猛烈爆炸是无法控制的。要把聚变时释放出的巨大能量用于社会生产和人类生活，必须对剧烈的聚变核反应加以控制。因而实现受控热核聚变一直是科学家们的梦想。

核聚变反应堆是一种满足核聚变条件从而利用其能量的装置。从目前看实现核聚变有2种方法,一种是使用托卡马克装置实现,托卡马克是一环形装置,通过约束电磁波驱动,创造氛、氖实现聚变的环境和超高温,实现对聚变反应的控制;另一种方式是通过高能激光的方式实现。第一种方式已于20世纪90年代初实现,目前正在进行工程设计;第二种方式已接近突破的边缘。由于核聚变是在极高的温度下完成的,所以又常称其为热核反应。以下所讨论的均以第一种方式为基础进行。

热核聚变反应两个苛刻条件实现受控热核聚变反应应满足两个苛刻条件3：

极高的温度要使两个原子核发生聚变反应，必须使它们彼此靠得足够近，达到原子核内核子与核子之间核力的作用距离，此时核力才能将它们“粘合”成整体形成新的原子核。由于原子核都带正电，当两个原子核靠得越来越近时，它们之间的静电斥力也越来越大。静电斥力也称静电势垒，它像一座高山一样将两个轻核隔开。据实验资料估计，要使两个氘核相遇，它们的相对速度必须大于每秒1000公里。此时单个氘核具有巨大的动能，对于一团氘核整体而言，则具有极高的温度。两个氘核产生聚变反应时，温度必须高达一亿度。氘核与氚核间发生聚变反应时，温度也须达到五千万度以上。这种在极高温度下才能发生的聚变核反应也称热核反应。在如此高温下，物质已全部电离，形成高温等离子体。

充分的约束充分的约束，指将高温等离子体维持相对足够长的时间，以便充分地发生聚变反应，释放出足够多的能量，使聚变反应释放的能量大于产生和加热等离子体本身所需的能量及其在此过程中损失的能量。这样，利用聚变反应释放出的能量就可以维持所需的极高温度，无需再从外界吸收能量，聚变反应就能够自持进行。表征这个概念的科学术语叫做“聚变点火”。要实现聚变点火，必须达到一定的约束时间。约束时间跟密度相关，密度大，单位时间里参加反应的原子核较多，释放的能量也较多，必要的约束时间相应较短。反之，约束时间必须较长。英国科学家劳逊在五十年代详细研究了实现聚变点火必须满足的条件（点火条件也称劳逊条件或劳逊判据），它是温度T和约束时间τ跟密度n乘积的函数。从对高温粒子的约束方式看目前有磁约束和惯性约束两种。

聚变能与其他能源的比较优点（1）反应放能效率极高3。（注：放能效率指单位质量的燃料所能产出的能量）

聚变反应将质量转化为能量，根据爱因斯坦著名的质能方程E=mc2可知很小的质量转化为巨大的能量，所以聚变反应的放能效率极高。

（2） 不产生核裂变所出现的长期和高水平的核辐射，不产生核废料；

反应物及产物的放射性

作为反应物的氘、锂和作为反应产物的氦4He都是没有放射性的。而反应物氚是有放射性的，但它的半衰期相对而言很短。

氚对人体的危害主要是吸入人体后的内辐照。氚的半衰期为12.3年的β-辐射，每公斤氚的放射性为9.7×106居里，平均辐射能量为5.7keV。

聚变堆中氚的释放途径有：事故释放；维修操作和运行中的泄漏；由于氚通过管壁和容器的渗透力很强，可引起氚的漏失。

若采用三级大气氚控制，从堆大厅释放到环境中的氚可控制到小于1居里/天。概率分析结果表明，若假象事故态时释放到堆大厅的氚为10×106居里。在FEB和ITER中的氚均为3kg左右，在停堆时刻，包层中氚的总放射性为3.3×107居里。

（3）原料丰富且分布广泛

聚变发电所需要的直接燃料是氘和氚。1g的氘将产生3000×1011J的电能，所以要提供当前世界上所有的能量消耗（相当于每年3×1013J）将需要每年1000t的氘。氘是很容易获得的，因为没6700份水中就有一份是氘。如果考虑到所有的海水，则有总量超过1015t的氘，足可以近乎于无限地提供我们所需要的能量。氘可以采用电解水的方法直接从水中提取，成本很低。

然而氚在地球上并不天然存在，因为它是半衰期为12.3年的放射物。所以作为一种燃料，氚只能通过人工制造得到。最方便的产氚方式是中子和锂的反应。目前，有足够的锂可以至少维持几万年。

所以，聚变燃料必须的原材料理和水的储量相当丰富，而且这些原材料分布广泛，任何一个国家不可能垄断市场。

（4）不存在对石化燃料的依赖；

聚变发电站的基本原理是利用氘氚发生聚变反应来获取能量，并使用蒸汽轮机将其转化为电能。反应的原料是氘、氚和用于氚增值的金属锂，摆脱了对石化燃料的依赖。反应所产生的能量一部分用于维持聚变反应持续进行，剩下的用于发电。所以除了最初启动聚变反应需要消耗额外的能量，接下来不再需要对其提供能量。

（5）基本不污染环境；

由聚变发电站原理可以知道聚变发电不会产生污染大气的气体，它的产物是对环境无害的氦气；另外如上所讨论，聚变电站产生的放射性物质较裂变电站而言很少，而且这些放射性产物的半衰期也是相当短的。

（5）无核事故风险。

聚变电站是固有安全的；它不会爆炸或脱离控制，不像裂变电站那样包含足够运行很多年大量铀或钚燃料，聚变电站只含有非常少量的氘和氚燃料。通常只有1克——只够维持几秒的反应。如果燃料不连续更换，聚变反映将会终止。

缺点（1）实现太难

裂变能的利用，从开始实现“链式反应”（1943年）到形成一代“能源”（1970年）不过20余年，只因“三里岛”和“切尔诺贝利”两次核事故才使裂变能源的发展停顿下来。而对聚变能的发展来说，已研究了50年，预期还要50年才能广泛应用，原因何在？现在能回答的是: ①对等离子体了解还是初步；②支持磁约束的各种技术（超导、低温、超高真空、微波、材料等）非常复杂，因为氘氚反应要产生14MeV的强中子辐射，而且还要把上亿度高温的等离子体维持相当长的时间，这对人类现有的技术积累，提出了挑战；③全世界对发展巨变还没有形成一致的时间表，很难集中人力、物力和财力。

（2）第一代核反应，即氘氚反应有中子产生

聚变发电的发展遇到的问题所需解决“自持燃烧”及“稳态运行”的关键的物理和技术问题列举如下4:

自持燃烧的关键问题（1）氘氚等离子体的特征

（2）α粒子的约束

（3）α粒子的 “排灰”

（4）遥控操作技术

（5）α粒子驱动的不稳定性研究

（6）自持燃烧的剖面控制

（7）高增益的燃烧控制

稳态运行的关键物理和技术问题（1）高自举电流份额

（2）稳态运行的磁铁

（3）稳态的电流驱动

（4）氚工艺

（5）长于小时计的放电脉冲时间

（6）解决等离子体的“大破裂”

（7）包层工程

（8）低 “活化”材料

（9）氚“自持”

（10）多于月计的运行时间

（11）电功率输出

只有在此基础上再发展实验堆和商用堆原型，才能说“商业化”。若以一代装置需10余年计，这三代就需40到50年，所以说聚变商用化（托卡马克途径）大约在2050年后实现不是没有根据的。因此，聚变能的应用是“任重而道远”。有人说裂变能的利用，从开始实现“链式反应”（1943年）到形成一代“能源”（1970年）不过20余年，只因“三里岛”和“切尔诺贝利”两次核事故才使裂变能源的发展停顿下来。而对聚变能的发展来说，已研究了50年，预期还要50年才能广泛应用，原因何在？现在能回答的是: ①对等离子体了解还是初步；②支持磁约束的各种技术（超导、低温、超高真空、微波、材料等）非常复杂，因为氘氚反应要产生14MeV的强中子辐射，而且还要把上亿度高温的等离子体维持相当长的时间，这对人类现有的技术积累，提出了挑战；③全世界对发展巨变还没有形成一致的时间表，很难集中人力、物力和财力。

我国核聚变装置的最新消息新华网合肥9月28日电（记者喻菲 蔡敏 程士华）世界领先的中国新一代热核聚变装置EAST28日首次成功完成了放电实验，获得电流200千安、时间接近3秒的高温等离子体放电。

负责这一项目的中国科学院等离子体所所长李建刚研究员在接受新华社记者采访时说，此次实验实现了装置内部1亿度高温，等离子体建立、圆截面放电等各阶段的物理实验，达到了预期效果。

工艺鉴定组专家、中科院基础科学研究局金铎研究员在实验后的新闻发布会上宣布，EAST通过国家“九五”大科学工程工艺鉴定。 参与EAST研究合作的美国通用原子能公司盖瑞·杰克逊博士说：“EAST成为世界上第一个建成并真正运行的全超导非圆截面核聚变实验装置，它将在未来10年内保持世界先进水平。”

据了解，EAST装置是中国耗时8年、耗资2亿元人民币自主设计、自主建造而成的。

记者在实验控制室看到，这个近似圆柱形的大型物体由特种无磁不锈钢建成，高约12米、直径约5米，据介绍其总重量达400吨。

李建刚研究员说，与国际同类实验装置相比，EAST是使用资金最少、建设速度最快、投入运行最早、运行后获得等离子放电最快的先进核聚变实验装置。

“这意味着人类在核聚能研究利用领域取得重大进步，也标志着中国在这一领域进入国际先进水平”，李建刚说。

人们认识热核聚变是从氢弹爆炸开始的。氢弹爆炸时释放出极大的能量，给人类带来的是灾难。而科学家们却希望发明一种装置，可以有效地控制“氢弹爆炸”的过程，让能量持续稳定的输出，以解决人类面临的能源短缺危机。

美、法等国在20世纪80年代中期发起了耗资46亿欧元的国际热核实验反应堆（ITER）计划，旨在建立世界上第一个受控热核聚变实验反应堆，为人类输送巨大的清洁能量。这一过程与太阳产生能量的过程类似，因此受控热核聚变实验装置也被俗称为“人造太阳”。

中国于2003年加入ITER计划。位于安徽合肥的中科院等离子体所是这个国际科技合作计划的国内主要承担单位，其研究建设的EAST装置稳定放电能力为创记录的1000秒，超过世界上所有正在建设的同类装置。

EAST大科学工程总经理万元熙教授说，与ITER相比，EAST在规模上小很多，但两者都是全超导非圆截面托卡马克，即两者的等离子体位形及主要的工程技术基础是相似的，而EAST至少比ITER早投入实验运行10至15年。因此，无论从人才培养和奠定工程技术及物理基础的角度上说，EAST都将为ITER计划做出重要的、实质性的贡献，并进而为人类开发和最终使用核聚变能做出重要贡献。

不过，万元熙研究员说，虽然“人造太阳”的奇观在实验室中初现，但离真正的商业运行还有相当长的距离，它所发出的电能在短时间内还不可能进入人们的家中。但他预测，根据目前世界各国的研究状况，这一梦想最快有可能在2040－2060年后实现。

万元熙说，未来的稳态运行的热核聚堆用于商业运行后，所产生的能量够人类用数亿年乃至数十亿年。从长远来看，核能将是继石油、煤和天然气之后的主要能源，人类将从“石油文明”走向“核能文明”。

KSTARKSTAR（Korea Superconducting Tokamak Advanced Research）5是韩国大田研究基地国家聚变研究所的超导托卡马克核聚变装置，被称为“韩国太阳”，它是国际热核聚变实验反应堆（ITER）项目的一部分。KSTAR是世界上首一个采用新型超导磁体（Nb3Sn）材料产生磁场的全超导聚变装置，磁场强度是使用铌钛系统核聚变装置的3倍多。核聚变相比核裂变释放的能量更大，而且放射性污染几乎为零，其原料可以直接取于海水，是理想的能源方式。KSTAR的成功为韩国的利用核聚变发电奠定了基石。韩国计划在以后30年左右开始利用核聚变发电。

在2012年，它成功地维持高温等离子体（约5000万摄氏度）17秒。

核电发展总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2。

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。