淺析核聚變的研究進展和應用前景

周錢陽

（浙江省柯橋中學，浙江紹興 312030）

0.引言

盡管化石能源仍是當前世界主要的能源，但各國的化石燃料已總體呈現出逐漸枯竭的趨勢。此外，化石燃料的燃燒會導致一系列全球性環境問題。尋找更加清潔、高效而安全的能源，已經迫在眉睫。

世界各國都投入了大量人力物力研發新的能源，其中受到最多關注的便是被稱為“終極能源”的可控核聚變。可控核聚變可以釋放大量的能量，幾乎不會對環境造成污染。更重要的是，其主要原料氘和氚在海洋中有廣泛的分布：每升海水平均含有約0.03g 的氘，而地球上大約有13.7 億km3的海水，這就意味著海水中共含有約40 萬億t 氘，而氚的總含量也有約25 億t。1g 氚發生聚變時，可以產生10°電能。事實上，核聚變之所以被稱為“終極能源”，是因為聚變燃料的能量密度極高。聚變過程只會產生極少的核廢料，而且聚變反應產生的輻射可以用白紙擋住。

當前，核聚變仍是不可控的。人類一直在尋找可以容納溫度如此高的燃料的容器和更可靠的聚變約束方式，但直至目前，科學家仍未取得重大進展，他們仍需進行深入探索。北京航空航天大學物理學院院長呂廣宏教授認為，在實現可控核聚變的過程中，要一步一步來。ITER 是當前的工作重點。而未來的工作重點就是中國聚變工程實驗堆CFETR，它將來會變成聚變電站，最終定能實現可控核聚變。

1.核聚變的反應原理

核聚變也叫熱核反應，核心原理是愛因斯坦的質能方程：

能量=質量×光速的平方

較小的帶正電的原子核如氫核在極高的溫度和壓力條件下，可以突破原子核之間的庫侖勢壘而相互接近，當原子核間的距離小于10fm 時，原子核開始受到核力的作用。在核力的作用下，兩個原子核會相互碰撞，融合形成更重的核，如氦核和一些中子。在反應過程中，原子核會損耗一部分質量，而這部分質量將按照愛因斯坦質能方程，轉化為極為可觀的能量[1]。

2.可控核聚變的應用前景

可控核聚變具有一些其他能源不可比擬的優勢：一是原料來源豐富；二是核聚變的過程及其產物均不會對環境造成污染；三是與其他核反應相比，核聚變是安全可靠的。可以說，核聚變的應用前景非常廣闊。科學家需要深入研究核聚變體系的特征，分析核聚變的技術挑戰，不斷完善聚變技術，降低聚變能的利用成本，使核聚變的應用更加廣泛。

2.1 目前面臨的問題

目前面臨的問題主要是商業應用價值低。

（1）能量輸入。在應用核聚變發電時，能量的利用效率是一個十分重要的問題，聚變體系輸出能量的大小、持續時間、體系的穩定性，都會影響能量的利用效率。首先，為了達到核聚變的點火條件，人們必須輸入足夠多的能量。此外，設備維護成本、原料成本也是非常高的，商用核聚變至少應該使輸出能量與輸入能量的比值達到10。在中國，科學家目前能達到的能量比僅為3。所以，要想將核聚變應用于商業場景，就要提高聚變體系的能量利用效率[2]。

（2）持續時間。目前，在多數磁約束和慣性約束體系中，約束時間僅為幾分鐘，遠遠達不到核聚變的商用要求。要將聚變反應應用于發電，電能的輸出必須是穩定而持久的，這也是目前科學家們研究的重要方向之一。

2.2 可控核聚變在能源領域的應用前景

2.2.1 可控核聚變的優勢

核聚變被眾多科學家譽為“終極能源”。與常規能源相比，核反應產生的能量要可觀得多。同時，核聚變的原料非常豐富，氘氚反應的主要原料氘和氚在海洋中有廣泛的分布。此外，與裂變相比，聚變是一種更清潔的能源。核聚變反應只會產生少量的核廢料，聚變過程中產生的氦可以被重新利用。在成熟的反應體系中，合理控制氚增殖劑的量，有助于保證氚增殖的效率和聚變的自持。也就是說，可以通過核聚變，再次產生原料氚，實現原料的循環。此外，核聚變過程中的核輻射是十分微弱的，僅用一張白紙，即可阻擋聚變產生的射線，因此，聚變輻射的處理難度是比較低的。

2.2.2 可控核聚變的應用

目前，我國在可控核聚變領域投入了大量人力、物力，力圖解決能源問題。這是因為，中國的化石燃料儲量非常有限。此外，在化石燃料的燃燒過程中，會釋放大量有毒有害的氣體。近年來，我國逐漸嘗試用電能替代化石燃料，為機動車供電。國家大力推廣可以充電的、效率更高的新能源汽車，希望能夠部分地解決能源和環境問題。但我國的很多地區本就面臨著電力供應不足的問題，如何通過不同的方式保證電能的供應，是有關部門面臨的重要問題。其中，核能尤其是核聚變的利用，將有效地解決這一問題。綜合應用核聚變發電、水力發電、潮汐發電、風能發電等發電方式，能夠基本解決能源問題和環境問題[3]。

同時，將聚變能源應用于航空領域，能夠極大地提升航天器的性能，提高航天器的發射速度、延長航天器的飛行時間，這將為人類的星際旅行和深空探索提供更多的機會。

2.2.3 可控核聚變的研究進展

（1）ITER。國際熱核聚變實驗堆計劃（ITER），是一個美國、歐盟、俄羅斯、日本、中國、韓國、印度七國（集團）共同參與的計劃。它是集合了目前最為前沿的核聚變技術和研發成果的磁約束核聚變研究項目。ITER 采用超導托卡馬克技術，以鎢為第一壁材料，投入產出比已達到10。

可以說，ITER 是一項極具現實意義的研究，它驗證了可控核聚變實驗的可行性。目前，科學家已經基本解決了ITER 建設過程中的工程技術問題，但他們仍面臨著眾多挑戰。各國在積極參與ITER 計劃的同時，努力在國內自主研究核聚變反應堆，中國的CFETR 便是一個很好的例子[4]。

（2）EAST。先進實驗超導托卡馬克（EAST）是由中國科學家獨立設計建造的全世界首個超導托卡馬克，它誕生于2006 年。2017 年7 月3 日，EAST 實現了101.2s 穩態長脈沖高約束等離子體運行，打破世界紀錄，標志著中國的磁約束核聚變技術進入世界前列，這一事件對深入研究核聚變的穩態運行具有重要的意義。同時，對EAST 的研究，帶動了一系列關鍵技術的突破，推動了我國核聚變技術的發展。

2.3 可控核聚變在軍事領域的應用前景

核聚變在軍事中也有著廣泛的應用。中國在1967 年6 月17 日成功引爆了第一顆氫彈。繼氫彈之后，人類又研制出三相彈，即以鈾為外殼，放能過程為裂變—聚變—裂變的氫彈。可以說，三相彈具有原子彈和氫彈的雙重威力。在未來，核聚變將為軍隊提供必要的能源。此外，核聚變產生的高能量射線，可以用于干擾敵方通信。

可控核聚變將被用于對目標進行精確的打擊。核武器所產生的核威懾，將提高大國之間發生戰爭的代價，有效阻止戰爭的爆發。

3.結語

可控核聚變具有清潔、高效以及其他諸多優勢，它將引發能源領域的下一次技術革命。可以說，如果一個國家掌握了可控核聚變技術，那么它在能源領域就不會受制于人，贏得更多獨立自主發展的權利。同時，核聚變理論的不斷完善，無疑會催生大量的新技術，促進科技的發展。不過，核聚變絕對不是人類探索能源的終點，它甚至只是人類邁向更廣闊的未知領域的第一步。未來，人類對科學技術的更高要求以及對未知世界的不斷探索，都需要大量的能源作支撐。可以說，人類的能源需求將呈幾何式增長。在人類不毀于自身因素的條件下，核聚變能夠做到的，可能也只是解決人類數千年甚至數百年的能源問題，科學家必須不斷尋找新的能源、不斷完善現有的能源利用技術，才能讓科技更好地為人類社會服務。