可控核聚變技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

周宇辰

摘 要 目前，世界上核電站均采用核裂變反應(yīng)，其原料鈾儲(chǔ)量有限，反應(yīng)中產(chǎn)生強(qiáng)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(yīng)的原料氘氚儲(chǔ)量也近乎無(wú)窮無(wú)盡。本文介紹了核電站的運(yùn)行流程和能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，闡釋了聚變反應(yīng)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(jìn)展，著重介紹了我國(guó)核聚變研究；最后，對(duì)可控核聚變的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞 核電；反應(yīng)堆；可控核聚變；托克馬克

中圖分類號(hào) TL62 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095-6363（2017）17-0059-02

進(jìn)入21世紀(jì)，世界化石能源（煤，石油，天然氣等）供應(yīng)趨緊，我國(guó)能源結(jié)構(gòu)緊張態(tài)勢(shì)日益加重。為減輕污染和減排溫室氣體，我國(guó)投入巨大的人力和物力開(kāi)發(fā)新能源（風(fēng)能、水能、太陽(yáng)能等），以降低化石能源在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中所占的比重，提高新能源所占的比重。但是，發(fā)展上述新能源也存在一定的問(wèn)題，如風(fēng)能、太陽(yáng)能發(fā)電能力的不穩(wěn)定性，水能的資源有限和地域局限性等[1]。由此觀之，為應(yīng)對(duì)全球能源危機(jī)，緩解國(guó)內(nèi)化石燃料需求壓力，發(fā)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(yīng)獲取電能，裂變反應(yīng)的原料鈾儲(chǔ)量有限，反應(yīng)中產(chǎn)生強(qiáng)烈輻射，所產(chǎn)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(yīng)的原料氘氚儲(chǔ)量也近乎無(wú)窮無(wú)盡。所以可控核聚變技術(shù)具有很好的發(fā)展前景[3]。

1 核電站的運(yùn)行流程

根據(jù)反應(yīng)類型，核能分為裂變能（裂變反應(yīng)）和聚變能（聚變反應(yīng)）。核電站是將核能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿膹?fù)雜系統(tǒng)。從能量角度講，核電站中的能量轉(zhuǎn)換為：核能一水蒸氣的熱能一汽輪機(jī)的機(jī)械能—電能。

核電站中主要利用3個(gè)回路來(lái)完成“核能一水蒸氣的熱能一汽輪機(jī)的機(jī)械能—電能”的轉(zhuǎn)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(yīng)堆產(chǎn)生的巨大熱量轉(zhuǎn)移至蒸汽發(fā)生器，形成一個(gè)閉式循環(huán)。二回路中，水在蒸汽發(fā)生器吸收熱量變?yōu)檎羝?，然后進(jìn)入汽輪機(jī)做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)熱能-機(jī)械能-電能的轉(zhuǎn)變，做功后的乏汽進(jìn)入冷凝器發(fā)熱重新液化，流回蒸汽發(fā)生器，循環(huán)往復(fù)，二回路也是閉式循環(huán)。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(kāi)式循環(huán)，需要大量的水。整體來(lái)看，二回路驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電能經(jīng)變壓器輸送至用戶處[4]。

2 核聚變的物理原理

根據(jù)質(zhì)能方程E=mc2，核反應(yīng)中，部分質(zhì)量湮滅，轉(zhuǎn)化為能量。由于質(zhì)能方程中，E為能量，c為光速（3×108m/s），m為質(zhì)量，核反應(yīng)中釋放的能量是巨大的。核能根據(jù)反應(yīng)的不同分為裂變能和聚變能。對(duì)于裂變能，重金屬元素（如鈾-235）的原子發(fā)生裂變反應(yīng)，進(jìn)而釋放出的巨大能量，目前商業(yè)化核電站中的反應(yīng)均為裂變反應(yīng)。裂變能核電站已經(jīng)應(yīng)用近60年，技術(shù)成熟，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富。但裂變能應(yīng)用具有明顯的局限性：原料儲(chǔ)量有限，產(chǎn)生輻射較強(qiáng)，核廢料難以處理[5]。

另一種核能形式是聚變能，輕原子核經(jīng)過(guò)聚變反應(yīng)合成較重的原子核，進(jìn)而釋放出的巨大能量。目前，地球上最容易實(shí)現(xiàn)的核聚變反應(yīng)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(shí)現(xiàn)以上反應(yīng)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(shí)間大于1s～2s。相對(duì)于核裂變，聚變反應(yīng)的原料（氘氚）儲(chǔ)量近乎無(wú)窮無(wú)盡，核聚變不會(huì)產(chǎn)生核裂變所出現(xiàn)的長(zhǎng)期和高水平的核輻射，不產(chǎn)生核廢料和溫室氣體，聚變能是一種真正的環(huán)境友好型能源。

核聚變反應(yīng)中，極高溫下的原子核處于等離子態(tài)發(fā)生反應(yīng)，高溫等離子體難以用傳統(tǒng)的容器進(jìn)行約束。所謂可控核聚變就是利用不同方法實(shí)現(xiàn)對(duì)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(yīng)有序發(fā)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(rèn)為是最有前途的。托卡馬克（Tokamak）應(yīng)用于可控核聚變?cè)跇I(yè)內(nèi)已經(jīng)形成共識(shí)，科學(xué)可行性也已得到證實(shí)。托卡馬克于20世紀(jì)50年代由前蘇聯(lián)科學(xué)家提出，是一種利用磁約束來(lái)實(shí)現(xiàn)可控核聚變的環(huán)形容器。目前，托卡馬克環(huán)境的主要參數(shù)：最高溫度能達(dá)到2～4億度，最高聚變輸出功率超過(guò)16兆瓦，聚變Q值（輸出功率/輸入功率）已達(dá)到1.25。

在能量密度方面，一克鈾235（核裂變?nèi)剂希┌l(fā)生裂變反應(yīng)所產(chǎn)生的能量相當(dāng)于1.8t石油；一克氘-氚（核聚變?nèi)剂希┌l(fā)生裂變反應(yīng)所產(chǎn)生的能量相當(dāng)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(yīng)產(chǎn)生的能量無(wú)窮無(wú)盡。

3 可控核聚變的發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 典型熱核實(shí)驗(yàn)裝置

1）ITER。“國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃”是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國(guó)際科研合作項(xiàng)目之一，通過(guò)共同協(xié)作已有科技成果，首次建造大規(guī)模聚變實(shí)驗(yàn)堆，其目標(biāo)是解決可控核聚變的大量技術(shù)難題。ITER裝置的建造目的包括4項(xiàng)：（1）產(chǎn)生和研究維持400s的感應(yīng)驅(qū)動(dòng)燃燒等離子體；（2）產(chǎn)生和研究穩(wěn)態(tài)非感應(yīng)驅(qū)動(dòng)燃燒等離子體；（3）檢驗(yàn)主要聚變堆技術(shù)；（4）堆部件試驗(yàn)，包括氚處理。2006年5月，中國(guó)與歐盟、印度、日本、韓國(guó)、俄羅斯和美國(guó)共同草簽了ITER計(jì)劃協(xié)定。此后參與各國(guó)開(kāi)始合作建造“國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)堆（ITER）”[7]。

2）EAST。EAST全稱是Experimental Advanced Superconducting Tokamak（先進(jìn)實(shí)驗(yàn)超導(dǎo)托卡馬克），其目標(biāo)是針對(duì)近堆芯等離子體穩(wěn)態(tài)先進(jìn)運(yùn)行模式的科學(xué)和工程問(wèn)題。EAST裝置特點(diǎn)：非圓截面、全超導(dǎo)及主動(dòng)冷卻內(nèi)部結(jié)構(gòu)。其主要技術(shù)特點(diǎn)和指標(biāo)是：16個(gè)大型“D”形超導(dǎo)縱場(chǎng)磁體將產(chǎn)生縱場(chǎng)強(qiáng)度大約3.5T；12個(gè)大型極向場(chǎng)超導(dǎo)磁體可以提供磁通變化10伏秒以上；通過(guò)這些極向場(chǎng)超導(dǎo)磁體，將能產(chǎn)生≥100萬(wàn)安培的等離子體電流，持續(xù)時(shí)間將達(dá)到1 000s，在高功率加熱下溫度將達(dá)到一億度以上[8]。endprint

中國(guó)在積極參與ITER計(jì)劃的同時(shí)，國(guó)內(nèi)的東方超環(huán)（EAST）計(jì)劃也取得了極大的進(jìn)展。2016年11月，EAST實(shí)現(xiàn)了電子溫度達(dá)到5 000萬(wàn)度持續(xù)時(shí)長(zhǎng)102s的等離子體放電。這項(xiàng)新的世界紀(jì)錄使EAST成為世界首個(gè)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模運(yùn)行持續(xù)時(shí)間達(dá)到分鐘量級(jí)的托卡馬克，也標(biāo)志著中國(guó)在穩(wěn)態(tài)磁約束聚變研究方面繼續(xù)走在國(guó)際前列。

3.2 我國(guó)可控核聚變研究

20世紀(jì)50年代中期，我國(guó)就開(kāi)展了可控核聚變研究。1983年6月，我國(guó)提出了中國(guó)核能發(fā)展“三步走（壓水堆—快堆—聚變堆）”的戰(zhàn)略，以及“堅(jiān)持核燃料閉式循環(huán)”的方針。EAST裝置的成功設(shè)計(jì)，標(biāo)志著中國(guó)聚變研究三步走發(fā)展規(guī)劃的第一步（面向國(guó)際前沿，夯實(shí)國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)（2005—2015））已基本完成。在2015—2030年這個(gè)階段，我國(guó)將完成發(fā)展規(guī)劃的第二步：面向國(guó)家戰(zhàn)略能源需求。具體體現(xiàn)為：建造中國(guó)自己的穩(wěn)態(tài)燃燒托卡馬克實(shí)驗(yàn)堆（混合堆）開(kāi)展聚變示范堆關(guān)鍵部件、關(guān)鍵技術(shù)或關(guān)鍵工藝預(yù)研或攻關(guān)，全面掌握聚變示范堆技術(shù)。中國(guó)聚變研究三步走發(fā)展規(guī)劃的第三步為：實(shí)現(xiàn)科研到商業(yè)化的轉(zhuǎn)變（2030—2050）。在該步驟的要求下，我國(guó)將面臨兩種選擇：1）繼續(xù)走國(guó)際合作之路，聯(lián)合建造DEMO（示范堆），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)核聚變能源的商用化；2）建造“中國(guó)磁約束聚變示范堆”，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)純聚變能源的商用化[9]。

4 結(jié)論與展望

為了應(yīng)對(duì)當(dāng)前的能源危機(jī)和環(huán)境壓力，對(duì)新能源的開(kāi)發(fā)迫在眉睫。核能（裂變）具有能量密度高、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，但也有鈾資源儲(chǔ)量有限和廢料難以處理的缺陷。未來(lái)的可控核聚變則具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。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(guó)對(duì)可控核聚變相關(guān)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(xiàn)。期待著可控核聚變技術(shù)徹底解決人類能源和環(huán)境問(wèn)題。

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