可控核聚变技术的发展现状及趋势

周宇辰

摘 要 目前，世界上核电站均采用核裂变反应，其原料铀储量有限，反应中产生强烈辐射，核废料也难以处理。相比之下，核聚变的辐射危害小得多，核聚变反应的原料氘氚储量也近乎无穷无尽。本文介绍了核电站的运行流程和能量转换过程，阐释了聚变反应的物理原理和约束形式。然后介绍了以ITER和EAST为代表的核聚变装置研究进展，着重介绍了我国核聚变研究；最后，对可控核聚变的发展前景进行了展望。

关键词 核电；反应堆；可控核聚变；托克马克

中图分类号 TL62 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）17-0059-02

进入21世纪，世界化石能源（煤，石油，天然气等）供应趋紧，我国能源结构紧张态势日益加重。为减轻污染和减排温室气体，我国投入巨大的人力和物力开发新能源（风能、水能、太阳能等），以降低化石能源在我国能源结构中所占的比重，提高新能源所占的比重。但是，发展上述新能源也存在一定的问题，如风能、太阳能发电能力的不稳定性，水能的资源有限和地域局限性等[1]。由此观之，为应对全球能源危机，缓解国内化石燃料需求压力，发展核能意义重大[2]。

目前，世界上核电站全部是利用核裂变反应获取电能，裂变反应的原料铀储量有限，反应中产生强烈辐射，所产生的核废料也难以处理。相比之下，核聚变的辐射危害小得多，核聚变反应的原料氘氚储量也近乎無穷无尽。所以可控核聚变技术具有很好的发展前景[3]。

1 核电站的运行流程

根据反应类型，核能分为裂变能（裂变反应）和聚变能（聚变反应）。核电站是将核能转变为电能的复杂系统。从能量角度讲，核电站中的能量转换为：核能一水蒸气的热能一汽轮机的机械能—电能。

核电站中主要利用3个回路来完成“核能一水蒸气的热能一汽轮机的机械能—电能”的转换。如图1给出了压水堆的工作流程。一回路利用冷却剂将反应堆产生的巨大热量转移至蒸汽发生器，形成一个闭式循环。二回路中，水在蒸汽发生器吸收热量变为蒸汽，然后进入汽轮机做功，带动发电机发电，实现热能-机械能-电能的转变，做功后的乏汽进入冷凝器发热重新液化，流回蒸汽发生器，循环往复，二回路也是闭式循环。三回路中，主要是利用海水、湖水或河水将冷凝器的废热带走，将二回路中的乏汽重新液化，三回路为开式循环，需要大量的水。整体来看，二回路驱动发电机所产生的电能经变压器输送至用户处[4]。

2 核聚变的物理原理

根据质能方程E=mc2，核反应中，部分质量湮灭，转化为能量。由于质能方程中，E为能量，c为光速（3×108m/s），m为质量，核反应中释放的能量是巨大的。核能根据反应的不同分为裂变能和聚变能。对于裂变能，重金属元素（如铀-235）的原子发生裂变反应，进而释放出的巨大能量，目前商业化核电站中的反应均为裂变反应。裂变能核电站已经应用近60年，技术成熟，运行经验丰富。但裂变能应用具有明显的局限性：原料储量有限，产生辐射较强，核废料难以处理[5]。

另一种核能形式是聚变能，轻原子核经过聚变反应合成较重的原子核，进而释放出的巨大能量。目前，地球上最容易实现的核聚变反应有四种，分别是：D（氘）和T（氚）、He（氦）和n（中子）、n（中子）和Li（锂）、He（氦）和T（氚）的聚变。要实现以上反应的条件为：（1）温度大于一亿摄氏度。（2）密度大于2.5×1 020m-3。（3）能量约束时间大于1s～2s。相对于核裂变，聚变反应的原料（氘氚）储量近乎无穷无尽，核聚变不会产生核裂变所出现的长期和高水平的核辐射，不产生核废料和温室气体，聚变能是一种真正的环境友好型能源。

核聚变反应中，极高温下的原子核处于等离子态发生反应，高温等离子体难以用传统的容器进行约束。所谓可控核聚变就是利用不同方法实现对高温等离子体的有效约束，约束高温等离子体不使其逃逸或飞散，从而控制聚变反应有序发生。目前，主要有3种约束途径：磁约束，惯性约束和重力约束[6]。目前，磁约束核聚变被认为是最有前途的。托卡马克（Tokamak）应用于可控核聚变在业内已经形成共识，科学可行性也已得到证实。托卡马克于20世纪50年代由前苏联科学家提出，是一种利用磁约束来实现可控核聚变的环形容器。目前，托卡马克环境的主要参数：最高温度能达到2～4亿度，最高聚变输出功率超过16兆瓦，聚变Q值（输出功率/输入功率）已达到1.25。

在能量密度方面，一克铀235（核裂变燃料）发生裂变反应所产生的能量相当于1.8t石油；一克氘-氚（核聚变燃料）发生裂变反应所产生的能量相当于8t石油。地球上大量的水中所含的氘、氚元素使得聚变反应产生的能量无穷无尽。

3 可控核聚变的发展现状

3.1 典型热核实验装置

1）ITER。“国际热核聚变实验堆（ITER）计划”是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，通过共同协作已有科技成果，首次建造大规模聚变实验堆，其目标是解决可控核聚变的大量技术难题。ITER装置的建造目的包括4项：（1）产生和研究维持400s的感应驱动燃烧等离子体；（2）产生和研究稳态非感应驱动燃烧等离子体；（3）检验主要聚变堆技术；（4）堆部件试验，包括氚处理。2006年5月，中国与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国共同草签了ITER计划协定。此后参与各国开始合作建造“国际热核实验堆（ITER）”[7]。

2）EAST。EAST全称是Experimental Advanced Superconducting Tokamak（先进实验超导托卡马克），其目标是针对近堆芯等离子体稳态先进运行模式的科学和工程问题。EAST装置特点：非圆截面、全超导及主动冷却内部结构。其主要技术特点和指标是：16个大型“D”形超导纵场磁体将产生纵场强度大约3.5T；12个大型极向场超导磁体可以提供磁通变化10伏秒以上；通过这些极向场超导磁体，将能产生≥100万安培的等离子体电流，持续时间将达到1 000s，在高功率加热下温度将达到一亿度以上[8]。endprint

中国在积极参与ITER计划的同时，国内的东方超环（EAST）计划也取得了极大的进展。2016年11月，EAST实现了电子温度达到5 000万度持续时长102s的等离子体放电。这项新的世界紀录使EAST成为世界首个实现稳态高约束模运行持续时间达到分钟量级的托卡马克，也标志着中国在稳态磁约束聚变研究方面继续走在国际前列。

3.2 我国可控核聚变研究

20世纪50年代中期，我国就开展了可控核聚变研究。1983年6月，我国提出了中国核能发展“三步走（压水堆—快堆—聚变堆）”的战略，以及“坚持核燃料闭式循环”的方针。EAST装置的成功设计，标志着中国聚变研究三步走发展规划的第一步（面向国际前沿，夯实国内基础（2005—2015））已基本完成。在2015—2030年这个阶段，我国将完成发展规划的第二步：面向国家战略能源需求。具体体现为：建造中国自己的稳态燃烧托卡马克实验堆（混合堆）开展聚变示范堆关键部件、关键技术或关键工艺预研或攻关，全面掌握聚变示范堆技术。中国聚变研究三步走发展规划的第三步为：实现科研到商业化的转变（2030—2050）。在该步骤的要求下，我国将面临两种选择：1）继续走国际合作之路，联合建造DEMO（示范堆），进而实现核聚变能源的商用化；2）建造“中国磁约束聚变示范堆”，进而实现纯聚变能源的商用化[9]。

4 结论与展望

为了应对当前的能源危机和环境压力，对新能源的开发迫在眉睫。核能（裂变）具有能量密度高、技术成熟等优点，但也有铀资源储量有限和废料难以处理的缺陷。未来的可控核聚变则具有无可比拟的优势。随着以ITER和EAST一系列托克马克装置的建成，人类与可控核聚变的距离正在迅速拉近。我国对可控核聚变相关研究投入了大量人力物力，为世界可控核聚变研究作出了重要贡献。期待着可控核聚变技术彻底解决人类能源和环境问题。

参考文献

[1]周胜，王革华.国际核能发展态势[J].科技导报，2006（6）：15-17.

[2]潘自强，沈文权.核能在中国的战略地位及其发展的可持续性[J].中国工程科学，2008（1）：33-38.

[3]赵维平.可控核聚变技术——未来能源的希望[J].科技情报开发与经济，2012（23）：129-131.

[4]丁厚昌，黄锦华.受控核聚变研究的进展和展望[J].自然杂志，2006（3）：143-149.

[5]邱励俭.核聚变研究50年[J].核科学与工程，2001（1）：29-38.

[6]张杰.浅谈惯性约束核聚变[J].物理，1999（3）：18-28.

[7]张一鸣.ITER计划和核聚变研究的未来[J].真空与低温，2006（4）：231-237.

[8]储慧，赵君煜. EAST超导托卡马克核聚变实验装置”的运行管理[J].科技管理研究，2015（21）：186-189.

[9]希物.我国核聚变研究开发的现状[J].中国核工业，2006（12）：14-15.endprint