受控核聚變技術(shù)應(yīng)用前景展望

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關(guān)鍵字：受控核聚變；核能；核反應(yīng)堆；發(fā)電；應(yīng)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(zhì)量較小的原子，在一定的條件下產(chǎn)生原子核聚合作用，生成質(zhì)量更大的原子核，并隨之釋放巨大能量的一種核反應(yīng)。

目前的技術(shù)水平已經(jīng)可實現(xiàn)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(jìn)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(xiàn)實意義的反應(yīng)過程為氘—氘反應(yīng)和氘—氚反應(yīng)。氘—氘反應(yīng)產(chǎn)生一個中子或一個質(zhì)子的概率各約50%。每消耗一個核平均產(chǎn)生3.6MeV的能量，其單位質(zhì)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(yōu)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(yīng)充足；

(5)易于控制，有效降低核事故風(fēng)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(xiàn)受控核聚變的條件

在實驗室中，要實現(xiàn)核聚變反應(yīng)是一件相對容易的事情，但要形成大規(guī)模的能量凈輸出，并能進(jìn)行自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，則有一定難度。下述為受控核聚變反應(yīng)正常進(jìn)行所應(yīng)具備的基本條件。

2.1 得失相當(dāng)條件

利用高溫等離子體來誘發(fā)熱核反應(yīng)時，加熱核聚變?nèi)剂闲枰哪芰?，而且在加熱和核聚變反?yīng)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(nèi)，核聚變反應(yīng)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(dāng)，此時沒有凈能量輸出。

2.2 點火溫度

核聚變產(chǎn)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(dāng)超過點火溫度，反應(yīng)方可繼續(xù)進(jìn)行。

2.3 勞森判據(jù)

得失相當(dāng)條件通常只有理論意義，沒有考慮不同能量形式之間的轉(zhuǎn)換效率。1955年，英國科學(xué)家勞森提出了利用核聚變發(fā)電的最低條件，被稱為勞森判據(jù)。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(zhuǎn)換效率，并將其假設(shè)為50%。

3 受控核聚變技術(shù)的發(fā)展歷史與技術(shù)進(jìn)展

3.1 核聚變現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)

核聚變現(xiàn)象最早于1933年被發(fā)現(xiàn)。1952年，第一次實現(xiàn)了核聚變爆炸。然而，從發(fā)現(xiàn)核聚變現(xiàn)象至今，受控核聚變的研究還沒有實現(xiàn)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(dāng)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(dāng)它們之間的距離達(dá)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(yīng)在地球上的自然條件下很難發(fā)生。

3.2 磁約束

20世紀(jì)50年代初期，蘇聯(lián)提出了托卡馬克的概念，并建成了世界范圍內(nèi)第一個托卡馬克裝置。由于磁場強度技術(shù)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(xiàn)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(lián)在托卡馬克裝置上才發(fā)現(xiàn)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(huán)流器一號在四川樂山市郊建成，并達(dá)到了國際上二十世紀(jì)70年代中期的水平[5]。

3.3 慣性約束

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

1963年，蘇聯(lián)科學(xué)院提出用激光引發(fā)核聚變的建議，并于1968年用激光照射氘—氚靶產(chǎn)生了核聚變，證明了該理論的正確性。中國科學(xué)院從二十世紀(jì)60年代起就已開始準(zhǔn)備激光聚變的研究。1972年，美國學(xué)者首次公布了聚爆理論。根據(jù)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?nèi)〉昧司薮蟮倪M(jìn)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(xiàn)激光聚變點火而設(shè)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(shù)的應(yīng)用前景展望

4.1 受控核聚變技術(shù)的應(yīng)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(xiàn)核聚變能的和平利用，并建立核聚變反應(yīng)堆及核聚變發(fā)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(yīng)所需的原料——氫的同位素氘可從海水中進(jìn)行提取。氘在海水中大量存在，經(jīng)核聚變反應(yīng)，1 L海水中含有的氘所釋放的能量相當(dāng)于300 L汽油，可有效滿足人類生產(chǎn)及生活方面的需求。

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

4.2 有關(guān)受控核聚變的技術(shù)合作

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

當(dāng)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(lián)兩國元首會議上所提出的。

目前，ITER計劃已經(jīng)成為繼國際空間站項目之后.全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的科技合作項目，參與成員也在不斷擴(kuò)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(shù)的商業(yè)化推廣

總體而言，受控核聚變反應(yīng)需要的條件異常苛刻，需要在高達(dá)1億度的高溫下方可進(jìn)行，可謂是一大技術(shù)難關(guān)。由于目前仍存在諸多技術(shù)限制，受控核聚變技術(shù)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(shè)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(fā)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(yè)化推廣而言目前仍有一定困難。

4.4 我國核電技術(shù)的總體發(fā)展路線

目前來看，我國核電發(fā)展的技術(shù)路線是采用熱堆→快堆→聚變堆“三步走”的方針，根據(jù)我國當(dāng)前的技術(shù)水平，目前國內(nèi)以壓水堆為主的熱堆核電技術(shù)仍是我國核電的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)[9]。

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

5 結(jié)論

受控核聚變技術(shù)有著能量高、清潔、安全性好，燃料來源廣泛等顯著優(yōu)勢，但也有著反應(yīng)過程難于實現(xiàn)、技術(shù)要求高等一系列技術(shù)缺陷。盡管目前該領(lǐng)域仍處于技術(shù)研發(fā)階段，要實現(xiàn)商業(yè)推廣仍有較長的路要走。隨著技術(shù)的不斷完善，受控核聚變技術(shù)必將有著廣闊的應(yīng)用前景！