浅析核聚变的研究进展和应用前景

周钱阳

（浙江省柯桥中学，浙江绍兴 312030）

0.引言

尽管化石能源仍是当前世界主要的能源，但各国的化石燃料已总体呈现出逐渐枯竭的趋势。此外，化石燃料的燃烧会导致一系列全球性环境问题。寻找更加清洁、高效而安全的能源，已经迫在眉睫。

世界各国都投入了大量人力物力研发新的能源，其中受到最多关注的便是被称为“终极能源”的可控核聚变。可控核聚变可以释放大量的能量，几乎不会对环境造成污染。更重要的是，其主要原料氘和氚在海洋中有广泛的分布：每升海水平均含有约0.03g 的氘，而地球上大约有13.7 亿km3的海水，这就意味着海水中共含有约40 万亿t 氘，而氚的总含量也有约25 亿t。1g 氚发生聚变时，可以产生10°电能。事实上，核聚变之所以被称为“终极能源”，是因为聚变燃料的能量密度极高。聚变过程只会产生极少的核废料，而且聚变反应产生的辐射可以用白纸挡住。

当前，核聚变仍是不可控的。人类一直在寻找可以容纳温度如此高的燃料的容器和更可靠的聚变约束方式，但直至目前，科学家仍未取得重大进展，他们仍需进行深入探索。北京航空航天大学物理学院院长吕广宏教授认为，在实现可控核聚变的过程中，要一步一步来。ITER 是当前的工作重点。而未来的工作重点就是中国聚变工程实验堆CFETR，它将来会变成聚变电站，最终定能实现可控核聚变。

1.核聚变的反应原理

核聚变也叫热核反应，核心原理是爱因斯坦的质能方程：

能量=质量×光速的平方

较小的带正电的原子核如氢核在极高的温度和压力条件下，可以突破原子核之间的库仑势垒而相互接近，当原子核间的距离小于10fm 时，原子核开始受到核力的作用。在核力的作用下，两个原子核会相互碰撞，融合形成更重的核，如氦核和一些中子。在反应过程中，原子核会损耗一部分质量，而这部分质量将按照爱因斯坦质能方程，转化为极为可观的能量[1]。

2.可控核聚变的应用前景

可控核聚变具有一些其他能源不可比拟的优势：一是原料来源丰富；二是核聚变的过程及其产物均不会对环境造成污染；三是与其他核反应相比，核聚变是安全可靠的。可以说，核聚变的应用前景非常广阔。科学家需要深入研究核聚变体系的特征，分析核聚变的技术挑战，不断完善聚变技术，降低聚变能的利用成本，使核聚变的应用更加广泛。

2.1 目前面临的问题

目前面临的问题主要是商业应用价值低。

（1）能量输入。在应用核聚变发电时，能量的利用效率是一个十分重要的问题，聚变体系输出能量的大小、持续时间、体系的稳定性，都会影响能量的利用效率。首先，为了达到核聚变的点火条件，人们必须输入足够多的能量。此外，设备维护成本、原料成本也是非常高的，商用核聚变至少应该使输出能量与输入能量的比值达到10。在中国，科学家目前能达到的能量比仅为3。所以，要想将核聚变应用于商业场景，就要提高聚变体系的能量利用效率[2]。

（2）持续时间。目前，在多数磁约束和惯性约束体系中，约束时间仅为几分钟，远远达不到核聚变的商用要求。要将聚变反应应用于发电，电能的输出必须是稳定而持久的，这也是目前科学家们研究的重要方向之一。

2.2 可控核聚变在能源领域的应用前景

2.2.1 可控核聚变的优势

核聚变被众多科学家誉为“终极能源”。与常规能源相比，核反应产生的能量要可观得多。同时，核聚变的原料非常丰富，氘氚反应的主要原料氘和氚在海洋中有广泛的分布。此外，与裂变相比，聚变是一种更清洁的能源。核聚变反应只会产生少量的核废料，聚变过程中产生的氦可以被重新利用。在成熟的反应体系中，合理控制氚增殖剂的量，有助于保证氚增殖的效率和聚变的自持。也就是说，可以通过核聚变，再次产生原料氚，实现原料的循环。此外，核聚变过程中的核辐射是十分微弱的，仅用一张白纸，即可阻挡聚变产生的射线，因此，聚变辐射的处理难度是比较低的。

2.2.2 可控核聚变的应用

目前，我国在可控核聚变领域投入了大量人力、物力，力图解决能源问题。这是因为，中国的化石燃料储量非常有限。此外，在化石燃料的燃烧过程中，会释放大量有毒有害的气体。近年来，我国逐渐尝试用电能替代化石燃料，为机动车供电。国家大力推广可以充电的、效率更高的新能源汽车，希望能够部分地解决能源和环境问题。但我国的很多地区本就面临着电力供应不足的问题，如何通过不同的方式保证电能的供应，是有关部门面临的重要问题。其中，核能尤其是核聚变的利用，将有效地解决这一问题。综合应用核聚变发电、水力发电、潮汐发电、风能发电等发电方式，能够基本解决能源问题和环境问题[3]。

同时，将聚变能源应用于航空领域，能够极大地提升航天器的性能，提高航天器的发射速度、延长航天器的飞行时间，这将为人类的星际旅行和深空探索提供更多的机会。

2.2.3 可控核聚变的研究进展

（1）ITER。国际热核聚变实验堆计划（ITER），是一个美国、欧盟、俄罗斯、日本、中国、韩国、印度七国（集团）共同参与的计划。它是集合了目前最为前沿的核聚变技术和研发成果的磁约束核聚变研究项目。ITER 采用超导托卡马克技术，以钨为第一壁材料，投入产出比已达到10。

可以说，ITER 是一项极具现实意义的研究，它验证了可控核聚变实验的可行性。目前，科学家已经基本解决了ITER 建设过程中的工程技术问题，但他们仍面临着众多挑战。各国在积极参与ITER 计划的同时，努力在国内自主研究核聚变反应堆，中国的CFETR 便是一个很好的例子[4]。

（2）EAST。先进实验超导托卡马克（EAST）是由中国科学家独立设计建造的全世界首个超导托卡马克，它诞生于2006 年。2017 年7 月3 日，EAST 实现了101.2s 稳态长脉冲高约束等离子体运行，打破世界纪录，标志着中国的磁约束核聚变技术进入世界前列，这一事件对深入研究核聚变的稳态运行具有重要的意义。同时，对EAST 的研究，带动了一系列关键技术的突破，推动了我国核聚变技术的发展。

2.3 可控核聚变在军事领域的应用前景

核聚变在军事中也有着广泛的应用。中国在1967 年6 月17 日成功引爆了第一颗氢弹。继氢弹之后，人类又研制出三相弹，即以铀为外壳，放能过程为裂变—聚变—裂变的氢弹。可以说，三相弹具有原子弹和氢弹的双重威力。在未来，核聚变将为军队提供必要的能源。此外，核聚变产生的高能量射线，可以用于干扰敌方通信。

可控核聚变将被用于对目标进行精确的打击。核武器所产生的核威慑，将提高大国之间发生战争的代价，有效阻止战争的爆发。

3.结语

可控核聚变具有清洁、高效以及其他诸多优势，它将引发能源领域的下一次技术革命。可以说，如果一个国家掌握了可控核聚变技术，那么它在能源领域就不会受制于人，赢得更多独立自主发展的权利。同时，核聚变理论的不断完善，无疑会催生大量的新技术，促进科技的发展。不过，核聚变绝对不是人类探索能源的终点，它甚至只是人类迈向更广阔的未知领域的第一步。未来，人类对科学技术的更高要求以及对未知世界的不断探索，都需要大量的能源作支撑。可以说，人类的能源需求将呈几何式增长。在人类不毁于自身因素的条件下，核聚变能够做到的，可能也只是解决人类数千年甚至数百年的能源问题，科学家必须不断寻找新的能源、不断完善现有的能源利用技术，才能让科技更好地为人类社会服务。