可控核聚變技術的發展現狀及趨勢

周宇辰

摘 要 目前，世界上核電站均采用核裂變反應，其原料鈾儲量有限，反應中產生強烈輻射，核廢料也難以處理。相比之下，核聚變的輻射危害小得多，核聚變反應的原料氘氚儲量也近乎無窮無盡。本文介紹了核電站的運行流程和能量轉換過程，闡釋了聚變反應的物理原理和約束形式。然后介紹了以ITER和EAST為代表的核聚變裝置研究進展，著重介紹了我國核聚變研究；最后，對可控核聚變的發展前景進行了展望。

關鍵詞 核電；反應堆；可控核聚變；托克馬克

中圖分類號 TL62 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）17-0059-02

進入21世紀，世界化石能源（煤，石油，天然氣等）供應趨緊，我國能源結構緊張態勢日益加重。為減輕污染和減排溫室氣體，我國投入巨大的人力和物力開發新能源（風能、水能、太陽能等），以降低化石能源在我國能源結構中所占的比重，提高新能源所占的比重。但是，發展上述新能源也存在一定的問題，如風能、太陽能發電能力的不穩定性，水能的資源有限和地域局限性等[1]。由此觀之，為應對全球能源危機，緩解國內化石燃料需求壓力，發展核能意義重大[2]。

目前，世界上核電站全部是利用核裂變反應獲取電能，裂變反應的原料鈾儲量有限，反應中產生強烈輻射，所產生的核廢料也難以處理。相比之下，核聚變的輻射危害小得多，核聚變反應的原料氘氚儲量也近乎無窮無盡。所以可控核聚變技術具有很好的發展前景[3]。

1 核電站的運行流程

根據反應類型，核能分為裂變能（裂變反應）和聚變能（聚變反應）。核電站是將核能轉變為電能的復雜系統。從能量角度講，核電站中的能量轉換為：核能一水蒸氣的熱能一汽輪機的機械能—電能。

核電站中主要利用3個回路來完成“核能一水蒸氣的熱能一汽輪機的機械能—電能”的轉換。如圖1給出了壓水堆的工作流程。一回路利用冷卻劑將反應堆產生的巨大熱量轉移至蒸汽發生器，形成一個閉式循環。二回路中，水在蒸汽發生器吸收熱量變為蒸汽，然后進入汽輪機做功，帶動發電機發電，實現熱能-機械能-電能的轉變，做功后的乏汽進入冷凝器發熱重新液化，流回蒸汽發生器，循環往復，二回路也是閉式循環。三回路中，主要是利用海水、湖水或河水將冷凝器的廢熱帶走，將二回路中的乏汽重新液化，三回路為開式循環，需要大量的水。整體來看，二回路驅動發電機所產生的電能經變壓器輸送至用戶處[4]。

2 核聚變的物理原理

根據質能方程E=mc2，核反應中，部分質量湮滅，轉化為能量。由于質能方程中，E為能量，c為光速（3×108m/s），m為質量，核反應中釋放的能量是巨大的。核能根據反應的不同分為裂變能和聚變能。對于裂變能，重金屬元素（如鈾-235）的原子發生裂變反應，進而釋放出的巨大能量，目前商業化核電站中的反應均為裂變反應。裂變能核電站已經應用近60年，技術成熟，運行經驗豐富。但裂變能應用具有明顯的局限性：原料儲量有限，產生輻射較強，核廢料難以處理[5]。

另一種核能形式是聚變能，輕原子核經過聚變反應合成較重的原子核，進而釋放出的巨大能量。目前，地球上最容易實現的核聚變反應有四種，分別是：D（氘）和T（氚）、He（氦）和n（中子）、n（中子）和Li（鋰）、He（氦）和T（氚）的聚變。要實現以上反應的條件為：（1）溫度大于一億攝氏度。（2）密度大于2.5×1 020m-3。（3）能量約束時間大于1s～2s。相對于核裂變，聚變反應的原料（氘氚）儲量近乎無窮無盡，核聚變不會產生核裂變所出現的長期和高水平的核輻射，不產生核廢料和溫室氣體，聚變能是一種真正的環境友好型能源。

核聚變反應中，極高溫下的原子核處于等離子態發生反應，高溫等離子體難以用傳統的容器進行約束。所謂可控核聚變就是利用不同方法實現對高溫等離子體的有效約束，約束高溫等離子體不使其逃逸或飛散，從而控制聚變反應有序發生。目前，主要有3種約束途徑：磁約束，慣性約束和重力約束[6]。目前，磁約束核聚變被認為是最有前途的。托卡馬克（Tokamak）應用于可控核聚變在業內已經形成共識，科學可行性也已得到證實。托卡馬克于20世紀50年代由前蘇聯科學家提出，是一種利用磁約束來實現可控核聚變的環形容器。目前，托卡馬克環境的主要參數：最高溫度能達到2～4億度，最高聚變輸出功率超過16兆瓦，聚變Q值（輸出功率/輸入功率）已達到1.25。

在能量密度方面，一克鈾235（核裂變燃料）發生裂變反應所產生的能量相當于1.8t石油；一克氘-氚（核聚變燃料）發生裂變反應所產生的能量相當于8t石油。地球上大量的水中所含的氘、氚元素使得聚變反應產生的能量無窮無盡。

3 可控核聚變的發展現狀

3.1 典型熱核實驗裝置

1）ITER。“國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃”是目前全球規模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一，通過共同協作已有科技成果，首次建造大規模聚變實驗堆，其目標是解決可控核聚變的大量技術難題。ITER裝置的建造目的包括4項：（1）產生和研究維持400s的感應驅動燃燒等離子體；（2）產生和研究穩態非感應驅動燃燒等離子體；（3）檢驗主要聚變堆技術；（4）堆部件試驗，包括氚處理。2006年5月，中國與歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國共同草簽了ITER計劃協定。此后參與各國開始合作建造“國際熱核實驗堆（ITER）”[7]。

2）EAST。EAST全稱是Experimental Advanced Superconducting Tokamak（先進實驗超導托卡馬克），其目標是針對近堆芯等離子體穩態先進運行模式的科學和工程問題。EAST裝置特點：非圓截面、全超導及主動冷卻內部結構。其主要技術特點和指標是：16個大型“D”形超導縱場磁體將產生縱場強度大約3.5T；12個大型極向場超導磁體可以提供磁通變化10伏秒以上；通過這些極向場超導磁體，將能產生≥100萬安培的等離子體電流，持續時間將達到1 000s，在高功率加熱下溫度將達到一億度以上[8]。endprint

中國在積極參與ITER計劃的同時，國內的東方超環（EAST）計劃也取得了極大的進展。2016年11月，EAST實現了電子溫度達到5 000萬度持續時長102s的等離子體放電。這項新的世界紀錄使EAST成為世界首個實現穩態高約束模運行持續時間達到分鐘量級的托卡馬克，也標志著中國在穩態磁約束聚變研究方面繼續走在國際前列。

3.2 我國可控核聚變研究

20世紀50年代中期，我國就開展了可控核聚變研究。1983年6月，我國提出了中國核能發展“三步走（壓水堆—快堆—聚變堆）”的戰略，以及“堅持核燃料閉式循環”的方針。EAST裝置的成功設計，標志著中國聚變研究三步走發展規劃的第一步（面向國際前沿，夯實國內基礎（2005—2015））已基本完成。在2015—2030年這個階段，我國將完成發展規劃的第二步：面向國家戰略能源需求。具體體現為：建造中國自己的穩態燃燒托卡馬克實驗堆（混合堆）開展聚變示范堆關鍵部件、關鍵技術或關鍵工藝預研或攻關，全面掌握聚變示范堆技術。中國聚變研究三步走發展規劃的第三步為：實現科研到商業化的轉變（2030—2050）。在該步驟的要求下，我國將面臨兩種選擇：1）繼續走國際合作之路，聯合建造DEMO（示范堆），進而實現核聚變能源的商用化；2）建造“中國磁約束聚變示范堆”，進而實現純聚變能源的商用化[9]。

4 結論與展望

為了應對當前的能源危機和環境壓力，對新能源的開發迫在眉睫。核能（裂變）具有能量密度高、技術成熟等優點，但也有鈾資源儲量有限和廢料難以處理的缺陷。未來的可控核聚變則具有無可比擬的優勢。隨著以ITER和EAST一系列托克馬克裝置的建成，人類與可控核聚變的距離正在迅速拉近。我國對可控核聚變相關研究投入了大量人力物力，為世界可控核聚變研究作出了重要貢獻。期待著可控核聚變技術徹底解決人類能源和環境問題。

參考文獻

[1]周勝，王革華.國際核能發展態勢[J].科技導報，2006（6）：15-17.

[2]潘自強，沈文權.核能在中國的戰略地位及其發展的可持續性[J].中國工程科學，2008（1）：33-38.

[3]趙維平.可控核聚變技術——未來能源的希望[J].科技情報開發與經濟，2012（23）：129-131.

[4]丁厚昌，黃錦華.受控核聚變研究的進展和展望[J].自然雜志，2006（3）：143-149.

[5]邱勵儉.核聚變研究50年[J].核科學與工程，2001（1）：29-38.

[6]張杰.淺談慣性約束核聚變[J].物理，1999（3）：18-28.

[7]張一鳴.ITER計劃和核聚變研究的未來[J].真空與低溫，2006（4）：231-237.

[8]儲慧，趙君煜. EAST超導托卡馬克核聚變實驗裝置”的運行管理[J].科技管理研究，2015（21）：186-189.

[9]希物.我國核聚變研究開發的現狀[J].中國核工業，2006（12）：14-15.endprint