受控核聚變技術應用前景展望

伍賽特

上海汽車集團股份有限公司

關鍵字：受控核聚變；核能；核反應堆；發電；應用前景

0 前言

核能的釋放主要有兩種形式，一種是重核的裂變，另一種則是輕核的聚變[1]。核聚變是指由質量較小的原子，在一定的條件下產生原子核聚合作用，生成質量更大的原子核，并隨之釋放巨大能量的一種核反應。

目前的技術水平已經可實現不受控制的核聚變，如氫彈等核武器早已登上歷史舞臺。但如要使核聚變釋放出的巨大能量可有效為人類所利用，則必須對其進行人為控制，即受控核聚變。

1 受控核聚變

目前，受控核聚變最有現實意義的反應過程為氘—氘反應和氘—氚反應。氘—氘反應產生一個中子或一個質子的概率各約50%。每消耗一個核平均產生3.6MeV的能量，其單位質量核聚變所放出的能量5倍于鈾核裂變能。

受控核聚變的優勢通常可概括為：

(1)釋放的能量比核裂變更大；

(2)無高端核廢料；

(3)較為清潔，不會造成過大污染；

(4)燃料供應充足；

(5)易于控制，有效降低核事故風險[2-3]；

(6)無法用作核武器材料，一定程度上避免國際爭端。

2 實現受控核聚變的條件

在實驗室中，要實現核聚變反應是一件相對容易的事情，但要形成大規模的能量凈輸出，并能進行自持鏈式反應，則有一定難度。下述為受控核聚變反應正常進行所應具備的基本條件。

2.1 得失相當條件

利用高溫等離子體來誘發熱核反應時，加熱核聚變燃料需要消耗能量，而且在加熱和核聚變反應中還有其他能量損失（如等離子體的輻射損失）。因此，若在單位時間內，核聚變反應釋放的能量等于加熱所耗費的能量及其他能量損失之和，就稱為得失相當，此時沒有凈能量輸出。

2.2 點火溫度

核聚變產生能量的速率隨著溫度的升高而加快，但溫度越高，等離子體能量損失也越大。不過，兩者的增長速率不同，前者比后者增長得更快。在一定溫度下，能量損失速率大于核聚變能的生成速率。超過某一溫度則聚變能的生成速率大于能量損失速率。當超過點火溫度，反應方可繼續進行。

2.3 勞森判據

得失相當條件通常只有理論意義，沒有考慮不同能量形式之間的轉換效率。1955年，英國科學家勞森提出了利用核聚變發電的最低條件，被稱為勞森判據。該條件考慮了核聚變生成的能量和加熱等離子體能量之間的轉換效率，并將其假設為50%。

3 受控核聚變技術的發展歷史與技術進展

3.1 核聚變現象的發現

核聚變現象最早于1933年被發現。1952年，第一次實現了核聚變爆炸。然而，從發現核聚變現象至今，受控核聚變的研究還沒有實現有益的能量輸出。

受控核聚變的研究之所以如此艱難，原因在于所有原子核都帶正電。當2個帶正電的原子核互相接近時，二者之間的靜電斥力也越來越大。只有當它們之間的距離達到約3×10-8mm時，核力方可起作用。這時，由于核力大于靜電斥力，2個原子核才能聚合到一起，釋放出巨大的能量。由于2個原子核聚合前首先要克服強大的靜電斥力。因此核聚變反應在地球上的自然條件下很難發生。

3.2 磁約束

20世紀50年代初期，蘇聯提出了托卡馬克的概念，并建成了世界范圍內第一個托卡馬克裝置。由于磁場強度技術上的限制，所能約束的高溫等離子體只能是非常稀薄的.其密度比慣性約束中的小很多。因此要實現點火，就要大大增加約束時間。

約束等離子體的磁場雖然不怕高溫，其在加熱過程中能量也在不斷損失。直至1970年，蘇聯在托卡馬克裝置上才發現了可以察覺的聚變能量輸出[4]，其能量增益因子為10-9。

1984年9月，我國第一臺大型核聚變裝置——中國環流器一號在四川樂山市郊建成，并達到了國際上二十世紀70年代中期的水平[5]。

3.3 慣性約束

在磁約束取得進展的同時，二十世紀60年代由于激光技術的出現，慣性約束這一方式也隨之登上了歷史舞臺。

1963年，蘇聯科學院提出用激光引發核聚變的建議，并于1968年用激光照射氘—氚靶產生了核聚變，證明了該理論的正確性。中國科學院從二十世紀60年代起就已開始準備激光聚變的研究。1972年，美國學者首次公布了聚爆理論。根據這一理論，激光除了可使靶丸加熱外，還能使靶芯壓縮，成千倍地增加靶芯密度。

從此，激光聚變取得了巨大的進展。1980年，美國在“希瓦”裝置上已使靶材壓縮100倍，能量增益因子超過1，取得了令人振奮的成績。美國為實現激光聚變點火而設計的“諾瓦”裝置于1986年初建成。2009年5月。美國國家點火裝置（NIF）落成，這是世界上最大的點火裝置，可將192束激光聚焦于一點，瞬間可放出2MJ的能量[6-7]。

4 受控核聚變技術的應用前景展望

4.1 受控核聚變技術的應用前景

近年來，國際上對受控核聚變研究的重視程度日漸提升，投入大量人力和資金開展各種試驗研究，其目的為實現核聚變能的和平利用，并建立核聚變反應堆及核聚變發電廠[8]。

核聚變具有廣闊誘人的前景，核聚變不但可釋放出巨大的能量，并且核聚變反應所需的原料——氫的同位素氘可從海水中進行提取。氘在海水中大量存在，經核聚變反應，1 L海水中含有的氘所釋放的能量相當于300 L汽油，可有效滿足人類生產及生活方面的需求。

從受控核聚變技術在能量、燃料獲取、環保及安全性等方面的優勢來看，其有著廣闊而美好的前景。

4.2 有關受控核聚變的技術合作

目前在理論研究和實驗技術上都遇到了諸多困難。雖然經數十年的艱苦探索，已克服不少難關，但要真正實現核聚變能的利用，還需要進行長期的研究，因此開展國際合作是必不可少的。

當前開展核聚變研究最大的國際合作項目是建造國際熱核聚變實驗堆（ITER）。該計劃最初是在美國、蘇聯兩國元首會議上所提出的。

目前，ITER計劃已經成為繼國際空間站項目之后.全球規模最大、影響最深遠的科技合作項目，參與成員也在不斷擴大。我國也于2003年1月正式參加了ITER項目。

4.3 受控核聚變技術的商業化推廣

總體而言，受控核聚變反應需要的條件異常苛刻，需要在高達1億度的高溫下方可進行，可謂是一大技術難關。由于目前仍存在諸多技術限制，受控核聚變技術仍有待完善，不僅如此，建造核聚變電站自身的基建成本及建設周期也是一大重要問題。

盡管目前而言，核燃料只占核聚變電站發電成本的一小部分，但是考慮到核聚變電站自身較高的基建成本，就其商業化推廣而言目前仍有一定困難。

4.4 我國核電技術的總體發展路線

目前來看，我國核電發展的技術路線是采用熱堆→快堆→聚變堆“三步走”的方針，根據我國當前的技術水平，目前國內以壓水堆為主的熱堆核電技術仍是我國核電的主導產業[9]。

通過參與國際合作，我國有可能在較短時間內、用較小投資在核聚變能研究上居于世界領先水平，然而正如上文所述，要在商業上實現受控核聚變技術，從根本上解決能源問題，還有很長的路要走。

5 結論

受控核聚變技術有著能量高、清潔、安全性好，燃料來源廣泛等顯著優勢，但也有著反應過程難于實現、技術要求高等一系列技術缺陷。盡管目前該領域仍處于技術研發階段，要實現商業推廣仍有較長的路要走。隨著技術的不斷完善，受控核聚變技術必將有著廣闊的應用前景！