核聚變原理及前景展望

郭鵬程 吳 靜 姚列明

(電子科技大學(xué)物理學(xué)院 四川 成都 611731)

1 引言

工業(yè)革命以來，各國的工業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活對煤炭、石油、天然氣為代表的化石能源的依賴與日俱增，尤其是自20世紀(jì)之后，由于世界人口急劇增加，并且人均能源消耗也逐年上升，這樣的情況下不可再生的化石能源終將會(huì)在未來枯竭，加上環(huán)保的壓力，清潔能源逐步取代化石能源的計(jì)劃勢在必行．聚變能是未來最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，不可控的核聚變——?dú)鋸棾晒柺?，巨大的能量釋放能力震驚世界，自此之后，人們一直希望可以讓它穩(wěn)定可控的輸出能量．

經(jīng)過幾十年的研究和資金投入，核聚變領(lǐng)域碩果累累，坐落于我國合肥市的EAST[1]成功實(shí)現(xiàn)1 000 s的等離子體約束，是全世界約束時(shí)間最長的托卡馬克裝置．多國合作的ITER[2]和我國近期上馬的CFETR[3]項(xiàng)目是目前世界上最大的托卡馬克工程，致力于建成商業(yè)級的聚變實(shí)驗(yàn)堆．高新技術(shù)也是基于基礎(chǔ)物理，中學(xué)生也可以對可控核聚變有自己的理解．

2 聚變能介紹

核能來自于原子核內(nèi)部，它的應(yīng)用不受時(shí)間和空間限制，反應(yīng)前后原子核質(zhì)量出現(xiàn)虧損，質(zhì)能方程(1)描述了其釋放出的巨大能量

E=Δmc2

(1)

裂變反應(yīng)是以鈾235為代表的重元素的原子核分裂釋放能量，燃料能量密度高，但是裂變電站會(huì)產(chǎn)生放射性廢料，并且裂變電站歷史上發(fā)生過一些安全事件(如切爾諾貝利事件、福島事件)，導(dǎo)致裂變電站的建造遇到重重阻隔，裂變發(fā)電最大的問題則是原料儲(chǔ)量不足，若是單純以地球上的所有鈾235裂變?yōu)槿祟愄峁┠茉?，則礦藏儲(chǔ)量會(huì)在30年內(nèi)耗光，聚變能才是最好的解決出路．

在地球上還不存在天然的核聚變反應(yīng)，也未曾實(shí)現(xiàn)可控的核聚變反應(yīng)．失控的聚變反應(yīng)也就是氫彈，在幾十年前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，裂變的原子能急速爆發(fā)，將氫同位素壓縮加熱，突破了庫侖力的阻隔，實(shí)現(xiàn)聚變，爆發(fā)出更大的能量，這就是熱核反應(yīng)．如能使得熱核反應(yīng)被約束在一定的區(qū)域內(nèi)，基于人們的意圖有控制的反應(yīng)，就是可控?zé)岷司圩僛4]，可控?zé)岷司圩兪蔷圩兎磻?yīng)堆以及未來聚變電站的基礎(chǔ)．

聚變反應(yīng)的主要方程式如下

D+T→4He+n

(2)

式(2)表示的DT聚變反應(yīng)釋放17.58 MeV能量，eV(電子伏特)是一個(gè)電子經(jīng)過1 V的電勢差后所獲得的動(dòng)能，MeV即百萬電子伏特．而式(3)表示的氫氧燃燒反應(yīng)僅釋放能量5.92 eV，可以看到聚變能量密度是化學(xué)能的百萬倍

2H2+O2→2H2O

(3)

6Li+n→T+4He

(4)

鋰礦在地球上廣泛分布，其中鋰6的同位素相對豐度為7.5%，儲(chǔ)量巨大，因此，以鋰做前置反應(yīng)的DT聚變可以為人類提供超過300萬年的能源供應(yīng)，可以認(rèn)為是取之不盡的清潔能源．

3 可控核聚變工程設(shè)想

可控聚變有3個(gè)關(guān)鍵條件需要達(dá)成：

(1)溫度．聚變反應(yīng)需要氘和氚原子核直接碰撞，對于都帶正電荷的兩個(gè)原子核來說十分困難．溫度是微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn)，溫度越高粒子所攜帶的動(dòng)能也就越大，溫度高到一定程度時(shí)，氘和氚核才可以克服巨大的庫倫勢壘實(shí)現(xiàn)接觸．

(2)粒子密度．可使用的聚變堆必須達(dá)到一定的聚變功率，不然聚變所釋放的能量還抵不過加熱氘氚所輸入的能量，入不敷出．在粒子的聚變概率一定的情況下，聚變功率和粒子密度成正比，粒子密度條件也是必須的．

(3)約束時(shí)間．聚變裝置的運(yùn)行包括啟動(dòng)、放電擊穿、組合加熱、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行等階段，必須要使得穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)間夠長，畢竟在有效的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)才會(huì)發(fā)生聚變釋放能量，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的前提就是裝置內(nèi)粒子約束完好，因此約束時(shí)間夠長也是必要條件．

基于以上設(shè)想，得到了用三重積表示的DT反應(yīng)點(diǎn)火條件：

nτET>3×10-21m-3keVs

(5)

上式中n為粒子密度，τE為約束時(shí)間，T為等離子體溫度．

核聚變所需的氘和氚在超高溫狀態(tài)下是等離子態(tài)，電子脫離了原子核，這樣的物質(zhì)狀態(tài)受到引力和電磁力的宏觀作用，雖然不可能被普通的容器容納，但也有了被力場約束的可能．

引力約束發(fā)生在太陽這樣的恒星之上，地球上的太陽能、風(fēng)能、化石燃料歸根結(jié)底是來自太陽聚變的能量．恒星依靠其巨大的質(zhì)量產(chǎn)生引力場對物質(zhì)保持約束，使其中心區(qū)域保持很高的物質(zhì)密度，這樣一來，聚變反應(yīng)就會(huì)持續(xù)進(jìn)行，在地球上我們感受最大的引力來自于地球本身，這樣的引力離聚變約束條件還差的非常遠(yuǎn)，更無法產(chǎn)生媲美恒星的引力場，因此也就不能使用這種方式實(shí)現(xiàn)可控的聚變．

慣性約束[5]的概念并不直觀，其設(shè)想構(gòu)思事實(shí)上沒有對等離子體施加任何約束，單純憑借粒子自有的慣性，將聚變?nèi)剂献龀砂型?，使用高?qiáng)度短脈沖的激光從各方向同時(shí)照射，因?yàn)榧す庾饔脮r(shí)間極短，燃料還來不及逃離便以被加熱到足以聚變的程度．目前世界上最先進(jìn)的慣性約束工程是美國的國家點(diǎn)火裝置NIF，除了美國之外，法國的LMJ和中國的神光計(jì)劃也是同樣性質(zhì)的科研項(xiàng)目．

磁場約束的方法受到了人們的青睞，在磁場中，帶電粒子受到洛倫茲力的作用，受力與磁場和自身運(yùn)動(dòng)速度方向都垂直，其運(yùn)動(dòng)方程為

(6)

若是帶電粒子所處的磁場是均勻的，那么該粒子將環(huán)繞磁感線做圓周運(yùn)動(dòng)，其圓頻率可以表示為

(7)

這個(gè)頻率被稱作回旋頻率，它與粒子的荷質(zhì)比和磁場強(qiáng)度有關(guān)，而與速度無關(guān)，粒子所攜帶電荷的正負(fù)會(huì)影響回旋運(yùn)動(dòng)的方向，在等離子體中，電子和離子的運(yùn)動(dòng)方向相反，回旋半徑表示為

(8)

式(8)被稱為拉莫爾半徑，其大小與磁場強(qiáng)度成反比，與粒子質(zhì)量和垂直于磁場線的速度成正比，不影響沿磁力線的運(yùn)動(dòng)，所以粒子總的運(yùn)動(dòng)是回旋運(yùn)動(dòng)和沿磁場線平動(dòng)的合成，整體的運(yùn)動(dòng)呈螺旋線軌跡．

基于磁場的特性，強(qiáng)磁場可以將等離子體限制在有限的區(qū)域內(nèi)，托卡馬克的構(gòu)想應(yīng)運(yùn)而生．其基本原理如圖1所示，幾組不同功能的線圈組合之下，只要磁場強(qiáng)度達(dá)標(biāo)，回旋半徑小于裝置的橫截面尺寸，等離子體就會(huì)在輪胎狀的裝置內(nèi)回旋往復(fù)，持續(xù)加熱之下，氘核和氚核就被賦予非常大的動(dòng)能，使得兩個(gè)帶正電的原子核可以突破庫侖力的排斥，最終直接相撞發(fā)生聚變反應(yīng)．

圖1 托卡馬克裝置原理

4 核聚變應(yīng)用前景

近年來，“人類世”的概念頻現(xiàn)于各學(xué)科學(xué)者的論述之中，以此為主題會(huì)議和研究屢見不鮮．其核心主旨是，人類活動(dòng)對地球的影響已達(dá)到形成新地層與新生態(tài)的程度，使地球進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)期，環(huán)境問題或者說人與自然的關(guān)系，已經(jīng)是關(guān)系到每個(gè)人生活的重大問題．人類需要更多能源，同時(shí)又需要更低的碳排放，在這樣的剪刀差之下，發(fā)展清潔能源是唯一可行的出路．

清潔能源品目繁多，其中的風(fēng)力、水力、太陽能、生物質(zhì)能被稱為可再生能源，它們最為人們熟知，為了響應(yīng)國際共識和國家計(jì)劃，在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前達(dá)到碳中和，可再生能源已經(jīng)在我國大量應(yīng)用，特別是西部北部地區(qū)．不過目前來看這些可再生能源效率不高，并且普遍有著時(shí)間和空間上的局域性，可以作為能源體系的重要補(bǔ)充，但不能接過石油煤炭的接力棒承擔(dān)起人類主要能源的重任．

核聚變能量密度高、儲(chǔ)量巨大、對環(huán)境友好，是最具潛力的清潔能源，將會(huì)在幾十年后成為不可或缺的能源組成部分，可能在以下領(lǐng)域產(chǎn)生巨大價(jià)值：

(1)減少污染排放，助力人與自然和諧共生．代替燃煤成為發(fā)電的主力軍，配合新能源汽車的普及，將極大減少溫室氣體和霧霾的嚴(yán)重程度，緩解城市及其周邊的環(huán)境壓力，空氣質(zhì)量直線上升．

(2)使得國家實(shí)現(xiàn)能源自由．石油是當(dāng)今社會(huì)的動(dòng)脈，與各行各業(yè)和人們的日常生活息息相關(guān)，我國進(jìn)口石油比例達(dá)到了70%，對進(jìn)口石油非常依賴，一旦國家外部環(huán)境緊張，油價(jià)隨之水漲船高，俄羅斯、中東地區(qū)局勢波動(dòng)都曾讓國內(nèi)的司機(jī)苦不堪言，可控核聚變進(jìn)入商業(yè)化就可以讓我國擺脫對外石油依賴，實(shí)現(xiàn)能源自由．

(3)為北方冬天直接供暖，減少能源轉(zhuǎn)換損耗．(1)、(2)兩點(diǎn)都是基于可控聚變發(fā)電而言，實(shí)際上還有更直接的利用方式，托卡馬克水循環(huán)系統(tǒng)可以不經(jīng)過汽輪發(fā)電系統(tǒng)，將冷卻水和暖氣系統(tǒng)進(jìn)行熱交換，為城市提供直接的暖氣供應(yīng)，一舉解決我國廣袤的北方大地冬天空氣指數(shù)爆表的問題．

(4)一些特殊項(xiàng)目動(dòng)力來源．現(xiàn)如今有很多航母和潛水艇搭載了核裂變反應(yīng)堆作為動(dòng)力來源，由于核能密度高，同樣質(zhì)量的燃料可以釋放遠(yuǎn)超化學(xué)燃燒的能量，因此核動(dòng)力航母和核潛艇可以在大海航行幾個(gè)月到數(shù)年時(shí)間不用上岸補(bǔ)給，可控核聚變的發(fā)動(dòng)機(jī)若是成功，有望讓這些大型船舶的航運(yùn)能力再上一個(gè)臺(tái)階．除此之外，還有一些研究人員提出了聚變火箭發(fā)動(dòng)機(jī)[6]的設(shè)想，以聚變?yōu)閯?dòng)力則有望進(jìn)行超長時(shí)間的宇宙航行，奔向燦爛星海．

5 結(jié)束語

核聚變工程功在當(dāng)代、利在千秋，是未來能源的最好選擇．先進(jìn)科技包含著世界上最前沿的科學(xué)和技術(shù)，但我們也可以看到，再高深的科學(xué)也是基于中學(xué)所學(xué)到的知識，即使是中學(xué)生也可以對可控核聚變有自己獨(dú)特的正確見解，學(xué)以致用并非一定要會(huì)解題或者會(huì)發(fā)明創(chuàng)造，能把自己所學(xué)的知識變成自己的見解也是極好，基于書本，放眼世界，愿知識都變?yōu)橥瑢W(xué)們的智慧和力量．

除此之外，清潔能源背后的思政教育也非常重要，我們的教育體系應(yīng)當(dāng)從小教育學(xué)生熱愛環(huán)境，并懂得如何保護(hù)環(huán)境，學(xué)會(huì)與自然和諧共處，熱愛祖國的大好河山，在物理課堂上，同學(xué)們也可以學(xué)會(huì)理解政策的良苦用心，了解我國在高新科技上的成就，樹立文化自信和民族自信，學(xué)習(xí)有力量，學(xué)習(xí)有方向．