受控核聚变技术应用前景展望

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关键字：受控核聚变；核能；核反应堆；发电；应用前景

0 前言

核能的释放主要有两种形式，一种是重核的裂变，另一种则是轻核的聚变[1]。核聚变是指由质量较小的原子，在一定的条件下产生原子核聚合作用，生成质量更大的原子核，并随之释放巨大能量的一种核反应。

目前的技术水平已经可实现不受控制的核聚变，如氢弹等核武器早已登上历史舞台。但如要使核聚变释放出的巨大能量可有效为人类所利用，则必须对其进行人为控制，即受控核聚变。

1 受控核聚变

目前，受控核聚变最有现实意义的反应过程为氘—氘反应和氘—氚反应。氘—氘反应产生一个中子或一个质子的概率各约50%。每消耗一个核平均产生3.6MeV的能量，其单位质量核聚变所放出的能量5倍于铀核裂变能。

受控核聚变的优势通常可概括为：

(1)释放的能量比核裂变更大；

(2)无高端核废料；

(3)较为清洁，不会造成过大污染；

(4)燃料供应充足；

(5)易于控制，有效降低核事故风险[2-3]；

(6)无法用作核武器材料，一定程度上避免国际争端。

2 实现受控核聚变的条件

在实验室中，要实现核聚变反应是一件相对容易的事情，但要形成大规模的能量净输出，并能进行自持链式反应，则有一定难度。下述为受控核聚变反应正常进行所应具备的基本条件。

2.1 得失相当条件

利用高温等离子体来诱发热核反应时，加热核聚变燃料需要消耗能量，而且在加热和核聚变反应中还有其他能量损失（如等离子体的辐射损失）。因此，若在单位时间内，核聚变反应释放的能量等于加热所耗费的能量及其他能量损失之和，就称为得失相当，此时没有净能量输出。

2.2 点火温度

核聚变产生能量的速率随着温度的升高而加快，但温度越高，等离子体能量损失也越大。不过，两者的增长速率不同，前者比后者增长得更快。在一定温度下，能量损失速率大于核聚变能的生成速率。超过某一温度则聚变能的生成速率大于能量损失速率。当超过点火温度，反应方可继续进行。

2.3 劳森判据

得失相当条件通常只有理论意义，没有考虑不同能量形式之间的转换效率。1955年，英国科学家劳森提出了利用核聚变发电的最低条件，被称为劳森判据。该条件考虑了核聚变生成的能量和加热等离子体能量之间的转换效率，并将其假设为50%。

3 受控核聚变技术的发展历史与技术进展

3.1 核聚变现象的发现

核聚变现象最早于1933年被发现。1952年，第一次实现了核聚变爆炸。然而，从发现核聚变现象至今，受控核聚变的研究还没有实现有益的能量输出。

受控核聚变的研究之所以如此艰难，原因在于所有原子核都带正电。当2个带正电的原子核互相接近时，二者之间的静电斥力也越来越大。只有当它们之间的距离达到约3×10-8mm时，核力方可起作用。这时，由于核力大于静电斥力，2个原子核才能聚合到一起，释放出巨大的能量。由于2个原子核聚合前首先要克服强大的静电斥力。因此核聚变反应在地球上的自然条件下很难发生。

3.2 磁约束

20世纪50年代初期，苏联提出了托卡马克的概念，并建成了世界范围内第一个托卡马克装置。由于磁场强度技术上的限制，所能约束的高温等离子体只能是非常稀薄的.其密度比惯性约束中的小很多。因此要实现点火，就要大大增加约束时间。

约束等离子体的磁场虽然不怕高温，其在加热过程中能量也在不断损失。直至1970年，苏联在托卡马克装置上才发现了可以察觉的聚变能量输出[4]，其能量增益因子为10-9。

1984年9月，我国第一台大型核聚变装置——中国环流器一号在四川乐山市郊建成，并达到了国际上二十世纪70年代中期的水平[5]。

3.3 惯性约束

在磁约束取得进展的同时，二十世纪60年代由于激光技术的出现，惯性约束这一方式也随之登上了历史舞台。

1963年，苏联科学院提出用激光引发核聚变的建议，并于1968年用激光照射氘—氚靶产生了核聚变，证明了该理论的正确性。中国科学院从二十世纪60年代起就已开始准备激光聚变的研究。1972年，美国学者首次公布了聚爆理论。根据这一理论，激光除了可使靶丸加热外，还能使靶芯压缩，成千倍地增加靶芯密度。

从此，激光聚变取得了巨大的进展。1980年，美国在“希瓦”装置上已使靶材压缩100倍，能量增益因子超过1，取得了令人振奋的成绩。美国为实现激光聚变点火而设计的“诺瓦”装置于1986年初建成。2009年5月。美国国家点火装置（NIF）落成，这是世界上最大的点火装置，可将192束激光聚焦于一点，瞬间可放出2MJ的能量[6-7]。

4 受控核聚变技术的应用前景展望

4.1 受控核聚变技术的应用前景

近年来，国际上对受控核聚变研究的重视程度日渐提升，投入大量人力和资金开展各种试验研究，其目的为实现核聚变能的和平利用，并建立核聚变反应堆及核聚变发电厂[8]。

核聚变具有广阔诱人的前景，核聚变不但可释放出巨大的能量，并且核聚变反应所需的原料——氢的同位素氘可从海水中进行提取。氘在海水中大量存在，经核聚变反应，1 L海水中含有的氘所释放的能量相当于300 L汽油，可有效满足人类生产及生活方面的需求。

从受控核聚变技术在能量、燃料获取、环保及安全性等方面的优势来看，其有着广阔而美好的前景。

4.2 有关受控核聚变的技术合作

目前在理论研究和实验技术上都遇到了诸多困难。虽然经数十年的艰苦探索，已克服不少难关，但要真正实现核聚变能的利用，还需要进行长期的研究，因此开展国际合作是必不可少的。

当前开展核聚变研究最大的国际合作项目是建造国际热核聚变实验堆（ITER）。该计划最初是在美国、苏联两国元首会议上所提出的。

目前，ITER计划已经成为继国际空间站项目之后.全球规模最大、影响最深远的科技合作项目，参与成员也在不断扩大。我国也于2003年1月正式参加了ITER项目。

4.3 受控核聚变技术的商业化推广

总体而言，受控核聚变反应需要的条件异常苛刻，需要在高达1亿度的高温下方可进行，可谓是一大技术难关。由于目前仍存在诸多技术限制，受控核聚变技术仍有待完善，不仅如此，建造核聚变电站自身的基建成本及建设周期也是一大重要问题。

尽管目前而言，核燃料只占核聚变电站发电成本的一小部分，但是考虑到核聚变电站自身较高的基建成本，就其商业化推广而言目前仍有一定困难。

4.4 我国核电技术的总体发展路线

目前来看，我国核电发展的技术路线是采用热堆→快堆→聚变堆“三步走”的方针，根据我国当前的技术水平，目前国内以压水堆为主的热堆核电技术仍是我国核电的主导产业[9]。

通过参与国际合作，我国有可能在较短时间内、用较小投资在核聚变能研究上居于世界领先水平，然而正如上文所述，要在商业上实现受控核聚变技术，从根本上解决能源问题，还有很长的路要走。

5 结论

受控核聚变技术有着能量高、清洁、安全性好，燃料来源广泛等显著优势，但也有着反应过程难于实现、技术要求高等一系列技术缺陷。尽管目前该领域仍处于技术研发阶段，要实现商业推广仍有较长的路要走。随着技术的不断完善，受控核聚变技术必将有着广阔的应用前景！