一種利用核聚變發電的新方法及系統模型

胡浪 殷業 張偉

摘 要 核聚變發電是一種利用原子核聚變反應產生熱能，然后利用熱能發電的技術。提供一種無限的、清潔的、安全地利用核聚變發電的新方法及系統模型，并對大學物理教學中引入可控核聚變模型的意義進行分析，認為其有利于大學生對核聚變知識的掌握以及培養他們的創新創造能力。

關鍵詞 核聚變；發電系統；物理教學

中圖分類號：TM613 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）06-0033-03

New Method and System Model for using Nuclear Fusion to Ge-nerate Electricity//HU Lang， YIN Ye， ZHANG Wei

Abstract Using nuclear fusion to generate electricity is a technology

that uses nuclear fusion to produce thermal energy and then uses ther-

mal energy to generate electricity. This paper provides a new method

and system model for unlimited， clean， safe use of nuclear fusion to

generate electricity and analyzes the significance of introducing con-

trollable nuclear fusion model in college physics teaching. It is be-lieved that it is conducive to students knowledge of nuclear fusion and their innovation and creativity.

Key words nuclear fusion； power generation system； physics tea-ching

1 引言

隨著工業和現代社會的不斷發展，人類文明對于能源的需求日益增加。然而現有的石油、煤炭等不可再生能源的儲量有限，很快將無法再滿足人類生存發展的需要。而新興能源中能產生巨大能量的核能可以作為人類未來的清潔能源。其中核聚變產生的能量較核裂變產生的能量更高，而且核原料的獲取也更加容易。人類還不能利用核聚變能進行發電，唯一可利用的核能發電是裂變核能發電，并且都是利用核反應堆的臨界狀態工作。在反應堆的臨界工作狀態上工作是具有一定危險性的，如何安全、高效、持續地利用核聚變的能量，成為人類目前亟待解決的問題[1]。

目前，由于核聚變的巨大破壞性，在大學物理教學中對于核聚變的研究都僅處于理論研究階段，還不能進行實踐探索；學生對于核聚變的理解以及核聚變產生的能量的應用，都處于被認知階段。因此，建立核聚變的系統模型是非常重要的，不僅有利于學生對課程內容本身的掌握，更有利于培養學生的科研能力和能源意識[2]。

本文將著重介紹利用核聚變發電的新方法以及其系統模型，并闡述其對大學物理核研究教學具有重要意義。

2 核聚變發電系統原理及結構

采用聚變靶和激光點火實現核聚變，向聚變靶的玻璃管端部輸入激光，利用激光沖擊點火技術使氘丸發生聚變，每次氘丸的爆炸當量對核反應井是安全的；在這種不破壞反應井的情況下，通過每一次的微型核爆炸，使反應井中水位提升并流入外部的環形水庫中；環形水庫底部設有發電裝置，利用環形水庫底部與海平面水位的高程差進行發電。本方法提供了一種無限的、清潔的、安全的利用核聚變的新能源發電系統。這種利用核聚變發電方法，其特征在于包括以下步驟：

1）建立底部設有核聚變發生裝置的核反應井，以及沿著所述反應井設立環形水庫，在所述環形水庫底部設置發電裝置；

2）啟動所述核聚變發生裝置，使用激光點火產生核聚變反應，利用核聚變釋放出的能量，將核反應井中的水推入所述環形水庫中；

3）開啟所述發電裝置，將環形水庫中的水經發電裝置流向海面，用水的勢能轉化為電能，從而實現發電。

核聚變發生裝置包括微核爆激光導引玻璃管，以及放置于所述微核爆激光導引玻璃管中的氘丸。核聚變發生裝置中對稱設置于核反應井底部設置有激光發生器的高能激光房間，所述高能激光房間之間通過微核爆激光導引玻璃管連接；微核爆激光導引玻璃管中放置有氘丸，氘丸主要由激光聚變靶用空心玻璃微球以及氘氣組成；所述氘氣被充入所述空心玻璃微球中，設于高能激光房間內的激光發生器發射的激光沿著微核爆激光導引玻璃管照射到氘丸上；利用激光聚變沖擊點火技術使氘丸發生聚變，促使氘丸產生聚變能量。

核反應井側壁設置有用于控制核反應井內水位的水

閥；環形水庫通過底部的支撐柱支撐，使得環形水庫底部高于周圍水平面；環形水庫底部與所述發電裝置之間用導流管連接，發電裝置位于所述導流管下方。環形水庫底部與核反應井頂部等高，且環形水庫的內環側壁在核反應井井口上方形成八字形噴口。

核聚變發電系統剖視圖如圖1所示。核聚變發電系統微核爆激光導引玻璃管星型連接結構示意圖如圖2所示。圖1、圖2標記說明：1—核反應井、11—氘丸、12—激光發生器、13—微核爆激光導引玻璃管、14—水閥、15—高能激光房間、2—環形水庫、21—支撐柱、22—發電裝置、23—導流管。

3 具體實施方式

圖1表示本發明優選的一個實施方式所涉及的利用核聚變發電的系統的剖視結構圖，該系統主要包括核反應井1以及沿著核反應井1設立的環形水庫2。作為優選的，選址的位置是大海，在海里選水位比較合適的位置，用水泥建立一個核反應井1，以及沿著核反應井1設立的環形水庫2。其中核反應井1底部還設置有核聚變發生裝置，核聚變發生裝置包括對稱設置于核反應井底部的設置有激光發生器12的高能激光房間15，所述高能激光房間之間通過微核爆激光導引玻璃管13連接，所述微核爆激光導引玻璃管中放置有氘丸11，所述氘丸主要由激光聚變靶用空心玻璃微球以及氘氣組成，所述氘氣被充入所述空心玻璃微球中，設于高能激光房間內的激光發生器發射的激光沿著微核爆激光導引玻璃管照射到氘丸上。此外，環形水庫的底部還設置有發電裝置。

作為另一種方案，所述核聚變發生裝置包括多個呈星型結構分布的高能激光房間，星型中心與各高能激光房間之間通過微核爆激光導引玻璃管連接，在星型中心處放置所述氘丸，有利于氘丸表面全部被激光發生器發出的激光束所覆蓋，從而確保氘丸表面各部分受到均勻照射。圖2所示為核聚變發生裝置的微核爆激光導引玻璃管星型連接結構示意圖。

4 系統安全與環境影響

比起核裂變，氫核聚變反應程式只產生中子輻射，這種輻射危害比鈾等核燃料反應釋放出的輻射危害要小得多，如果人類以后能實現氦3核聚變的話，則完全不會產生任何有害輻射。因此，即便發生核泄漏，也不會產生危害，非常安全。核裂變的反應是鏈式反應，即先裂變產生的中子導致后續燃料繼續發生裂變；而中子數量總是過多的，為了不讓裂變反應過于強烈而失控，反應堆需要利用“碳棒”來吸收中子；而一旦“碳棒”裝置出現故障或者熔毀，裂變反應很容易失控并發生災難性爆炸。

聚變反應不產生核廢料，氫（氘、氚）聚變產物為氦4，氦4普遍存在于空氣中，無任何害處，不需要花巨資處理核廢料。而裂變產生的核廢料有著極高的放射性，暴露在自然環境中，會對周圍生命產生毀滅性后果[3]。

5 核聚變發電系統模型對大學物理教學的意義

核聚變的引入可以將多個知識點串聯起來，使學生更好地掌握相關概念，如愛因斯坦質能方程、激光、粒子束、動量守恒等。以前的核研究中大多單純地介紹核反應知識，沒有比較理想的實驗模型，這樣學生在學習過程中容易機械地理解概念，孤立地看待相關現象。

學生學習大學物理，不僅學習物理的基礎知識，同時要了解科技前沿發展，拓寬知識面，開闊科技視野。核聚變發電方法綜合了多項理論和技術，是一個感受、學習科學研究方法的良好范例，也是一項復雜的工程，在研究過程中涉及科學和技術的結合、理論和實驗的結合，是不可多得的研習科學研究方法的對象。這些科研方法、思路的熏陶，對學生未來從事科學、工程研究工作提供了很好的借鑒，有利于學生創造性思維的培養。

6 結語

當前，核聚變理論及應用是重要的前沿科技研究課題，尤其是利用核聚變發電技術更是當前世界各國大力發展投資的重要技術，核能源也是最具前景和應用價值的未來能源。本文提出的新方法是利用激光技術和激光聚變靶用空心玻璃微球實現核聚變，減少核裂變帶來的污染以及危險，以及使用化石能源對環境造成的污染，提供一種無限的、清潔的、安全的新能源核聚變發電裝置模型。并且該模型是對當代大學物理核研究教學中實踐探索環節的有效補充，有利于學生對課程內容本身的掌握，以及培養學生的科研能力和能源意識。

參考文獻

[1]吳宜燦，汪衛華，劉松林，等.聚變發電反應堆概念設計研究[J].核科學與工程，2005，25（1）：76-85.

[2]希物.我國核聚變研究開發的現狀[J].中國核工業，

2006（12）：14-15.

[3]李韡.日本核聚變研究邁上新臺階[J].國外核新聞，

2013（5）：31-32.