淺析核聚變的研究進(jìn)展和應(yīng)用前景

周錢陽(yáng)

（浙江省柯橋中學(xué)，浙江紹興 312030）

0.引言

盡管化石能源仍是當(dāng)前世界主要的能源，但各國(guó)的化石燃料已總體呈現(xiàn)出逐漸枯竭的趨勢(shì)。此外，化石燃料的燃燒會(huì)導(dǎo)致一系列全球性環(huán)境問(wèn)題。尋找更加清潔、高效而安全的能源，已經(jīng)迫在眉睫。

世界各國(guó)都投入了大量人力物力研發(fā)新的能源，其中受到最多關(guān)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(huì)對(duì)環(huán)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(wàn)億t 氘，而氚的總含量也有約25 億t。1g 氚發(fā)生聚變時(shí)，可以產(chǎn)生10°電能。事實(shí)上，核聚變之所以被稱為“終極能源”，是因?yàn)榫圩內(nèi)剂系哪芰棵芏葮O高。聚變過(guò)程只會(huì)產(chǎn)生極少的核廢料，而且聚變反應(yīng)產(chǎn)生的輻射可以用白紙擋住。

當(dāng)前，核聚變?nèi)允遣豢煽氐?。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(xué)家仍未取得重大進(jìn)展，他們?nèi)孕柽M(jìn)行深入探索。北京航空航天大學(xué)物理學(xué)院院長(zhǎng)呂廣宏教授認(rèn)為，在實(shí)現(xiàn)可控核聚變的過(guò)程中，要一步一步來(lái)。ITER 是當(dāng)前的工作重點(diǎn)。而未來(lái)的工作重點(diǎn)就是中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆CFETR，它將來(lái)會(huì)變成聚變電站，最終定能實(shí)現(xiàn)可控核聚變。

1.核聚變的反應(yīng)原理

核聚變也叫熱核反應(yīng)，核心原理是愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程：

能量=質(zhì)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(kù)侖勢(shì)壘而相互接近，當(dāng)原子核間的距離小于10fm 時(shí)，原子核開(kāi)始受到核力的作用。在核力的作用下，兩個(gè)原子核會(huì)相互碰撞，融合形成更重的核，如氦核和一些中子。在反應(yīng)過(guò)程中，原子核會(huì)損耗一部分質(zhì)量，而這部分質(zhì)量將按照愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程，轉(zhuǎn)化為極為可觀的能量[1]。

2.可控核聚變的應(yīng)用前景

可控核聚變具有一些其他能源不可比擬的優(yōu)勢(shì)：一是原料來(lái)源豐富；二是核聚變的過(guò)程及其產(chǎn)物均不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染；三是與其他核反應(yīng)相比，核聚變是安全可靠的?？梢哉f(shuō)，核聚變的應(yīng)用前景非常廣闊。科學(xué)家需要深入研究核聚變體系的特征，分析核聚變的技術(shù)挑戰(zhàn)，不斷完善聚變技術(shù)，降低聚變能的利用成本，使核聚變的應(yīng)用更加廣泛。

2.1 目前面臨的問(wèn)題

目前面臨的問(wèn)題主要是商業(yè)應(yīng)用價(jià)值低。

（1）能量輸入。在應(yīng)用核聚變發(fā)電時(shí)，能量的利用效率是一個(gè)十分重要的問(wèn)題，聚變體系輸出能量的大小、持續(xù)時(shí)間、體系的穩(wěn)定性，都會(huì)影響能量的利用效率。首先，為了達(dá)到核聚變的點(diǎn)火條件，人們必須輸入足夠多的能量。此外，設(shè)備維護(hù)成本、原料成本也是非常高的，商用核聚變至少應(yīng)該使輸出能量與輸入能量的比值達(dá)到10。在中國(guó)，科學(xué)家目前能達(dá)到的能量比僅為3。所以，要想將核聚變應(yīng)用于商業(yè)場(chǎng)景，就要提高聚變體系的能量利用效率[2]。

（2）持續(xù)時(shí)間。目前，在多數(shù)磁約束和慣性約束體系中，約束時(shí)間僅為幾分鐘，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到核聚變的商用要求。要將聚變反應(yīng)應(yīng)用于發(fā)電，電能的輸出必須是穩(wěn)定而持久的，這也是目前科學(xué)家們研究的重要方向之一。

2.2 可控核聚變?cè)谀茉搭I(lǐng)域的應(yīng)用前景

2.2.1 可控核聚變的優(yōu)勢(shì)

核聚變被眾多科學(xué)家譽(yù)為“終極能源”。與常規(guī)能源相比，核反應(yīng)產(chǎn)生的能量要可觀得多。同時(shí)，核聚變的原料非常豐富，氘氚反應(yīng)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(yīng)只會(huì)產(chǎn)生少量的核廢料，聚變過(guò)程中產(chǎn)生的氦可以被重新利用。在成熟的反應(yīng)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(shuō)，可以通過(guò)核聚變，再次產(chǎn)生原料氚，實(shí)現(xiàn)原料的循環(huán)。此外，核聚變過(guò)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(chǎn)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(yīng)用

目前，我國(guó)在可控核聚變領(lǐng)域投入了大量人力、物力，力圖解決能源問(wèn)題。這是因?yàn)?，中?guó)的化石燃料儲(chǔ)量非常有限。此外，在化石燃料的燃燒過(guò)程中，會(huì)釋放大量有毒有害的氣體。近年來(lái)，我國(guó)逐漸嘗試用電能替代化石燃料，為機(jī)動(dòng)車供電。國(guó)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(huán)境問(wèn)題。但我國(guó)的很多地區(qū)本就面臨著電力供應(yīng)不足的問(wèn)題，如何通過(guò)不同的方式保證電能的供應(yīng)，是有關(guān)部門面臨的重要問(wèn)題。其中，核能尤其是核聚變的利用，將有效地解決這一問(wèn)題。綜合應(yīng)用核聚變發(fā)電、水力發(fā)電、潮汐發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電等發(fā)電方式，能夠基本解決能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題[3]。

同時(shí)，將聚變能源應(yīng)用于航空領(lǐng)域，能夠極大地提升航天器的性能，提高航天器的發(fā)射速度、延長(zhǎng)航天器的飛行時(shí)間，這將為人類的星際旅行和深空探索提供更多的機(jī)會(huì)。

2.2.3 可控核聚變的研究進(jìn)展

（1）ITER。國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃（ITER），是一個(gè)美國(guó)、歐盟、俄羅斯、日本、中國(guó)、韓國(guó)、印度七國(guó)（集團(tuán)）共同參與的計(jì)劃。它是集合了目前最為前沿的核聚變技術(shù)和研發(fā)成果的磁約束核聚變研究項(xiàng)目。ITER 采用超導(dǎo)托卡馬克技術(shù)，以鎢為第一壁材料，投入產(chǎn)出比已達(dá)到10。

可以說(shuō)，ITER 是一項(xiàng)極具現(xiàn)實(shí)意義的研究，它驗(yàn)證了可控核聚變實(shí)驗(yàn)的可行性。目前，科學(xué)家已經(jīng)基本解決了ITER 建設(shè)過(guò)程中的工程技術(shù)問(wèn)題，但他們?nèi)悦媾R著眾多挑戰(zhàn)。各國(guó)在積極參與ITER 計(jì)劃的同時(shí)，努力在國(guó)內(nèi)自主研究核聚變反應(yīng)堆，中國(guó)的CFETR 便是一個(gè)很好的例子[4]。

（2）EAST。先進(jìn)實(shí)驗(yàn)超導(dǎo)托卡馬克（EAST）是由中國(guó)科學(xué)家獨(dú)立設(shè)計(jì)建造的全世界首個(gè)超導(dǎo)托卡馬克，它誕生于2006 年。2017 年7 月3 日，EAST 實(shí)現(xiàn)了101.2s 穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)脈沖高約束等離子體運(yùn)行，打破世界紀(jì)錄，標(biāo)志著中國(guó)的磁約束核聚變技術(shù)進(jìn)入世界前列，這一事件對(duì)深入研究核聚變的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行具有重要的意義。同時(shí)，對(duì)EAST 的研究，帶動(dòng)了一系列關(guān)鍵技術(shù)的突破，推動(dòng)了我國(guó)核聚變技術(shù)的發(fā)展。

2.3 可控核聚變?cè)谲娛骂I(lǐng)域的應(yīng)用前景

核聚變?cè)谲娛轮幸灿兄鴱V泛的應(yīng)用。中國(guó)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(guò)程為裂變—聚變—裂變的氫彈?？梢哉f(shuō)，三相彈具有原子彈和氫彈的雙重威力。在未來(lái)，核聚變將為軍隊(duì)提供必要的能源。此外，核聚變產(chǎn)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(duì)目標(biāo)進(jìn)行精確的打擊。核武器所產(chǎn)生的核威懾，將提高大國(guó)之間發(fā)生戰(zhàn)爭(zhēng)的代價(jià)，有效阻止戰(zhàn)爭(zhēng)的爆發(fā)。

3.結(jié)語(yǔ)

可控核聚變具有清潔、高效以及其他諸多優(yōu)勢(shì)，它將引發(fā)能源領(lǐng)域的下一次技術(shù)革命?？梢哉f(shuō)，如果一個(gè)國(guó)家掌握了可控核聚變技術(shù)，那么它在能源領(lǐng)域就不會(huì)受制于人，贏得更多獨(dú)立自主發(fā)展的權(quán)利。同時(shí)，核聚變理論的不斷完善，無(wú)疑會(huì)催生大量的新技術(shù)，促進(jìn)科技的發(fā)展。不過(guò)，核聚變絕對(duì)不是人類探索能源的終點(diǎn)，它甚至只是人類邁向更廣闊的未知領(lǐng)域的第一步。未來(lái)，人類對(duì)科學(xué)技術(shù)的更高要求以及對(duì)未知世界的不斷探索，都需要大量的能源作支撐?？梢哉f(shuō)，人類的能源需求將呈幾何式增長(zhǎng)。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(shù)千年甚至數(shù)百年的能源問(wèn)題，科學(xué)家必須不斷尋找新的能源、不斷完善現(xiàn)有的能源利用技術(shù)，才能讓科技更好地為人類社會(huì)服務(wù)。