可控核聚变的研究及发展

可控核聚变能源的研究及发展前景摘要：可控核聚变作为一种具有多种优势的理想能源，被寄予了许多期望。在各国协同展开联合研究计划的同时，包括中国在内，有实力的国家都希望在这一领域率先取得突破人类探索更高效更持久更清洁能源的努力从未停止。相比于目前已经进行了较充分利用开发的核裂变能，不少专家认为，可控聚变能代表着更美好的能源未来。关键字：能源危机、新能源、核能、可控核聚变随着中国经济发展，能源消耗量随之增加。目前，中国已经成为世界第二大能源消费国，并且有可能在三到五年内超越美国成为世界最大能源消费国。能源是发展国民经济的动力，是社会发展的基石。随着国民经济的发展和生活水平的提高，对能源的需求越来越高，而人类现在大规模使用的化石能源是不可再生的资源，据估计，这些化石能源再仅够人们使用一百年左右的时间。面临即将到来的能源危机，人们在积极的寻找新能源，如太阳能，风能、潮汐能，地热能，但由于其能源密度低等原因而限制了其发展，没有大规模的应用。而核反应所蕴含的能量是巨大的。目前的核电站都应用的核裂变能，虽然这可以提供和多的电能，然而所产生的污染也是很巨大的。相对于裂变，聚变能更加巨大，更加环保清洁。因此，从长远的眼光来看，聚变能可能是解决人类能源危机的最有效最现实的方法。核聚变作为一种具有多种优势的理想能源，被寄予了许多期望。与裂变能相比，聚变能具有资源丰富，安全、清洁、高效的优点，基本满足人类对于未来终极能源的种种设想。核聚变的原理、条件及材料一、核聚变的原理核聚变反应堆的原理很简单，很好理解，只不过实现起来对于当时的人类技术水准，几乎是不可能的。第一步，作为反应体的混合气必须被加热到等离子态——也就是温度足够高到使得电子能脱离原子核的束缚，原子核能自由运动，这时才可能使得原子核发生直接接触，这个时候，需要大约10万摄氏度的温度。第二步，为了克服库伦力，也就是同样带正电子的原子核之间的斥力，原子核需要以极快的速度运行，得到这个速度，最简单的方法就是——继续加温，使得布朗运动达到一个疯狂的水平，要使原子核达到这种运行状态，需要上亿摄氏度的温度。然后就简单了，氚的原子核和氘的原子核以极大的速度，赤裸裸地发生碰撞，产生了新的氦核和新的中子，释放出巨大的能量。经过一段时间，反应体已经不需要外来能源的加热，核聚变的温度足够使得原子核继续发生聚变。这个过程只要氦原子核和中子被及时排除，新的氚和氘的混合气被输入到反应体，核聚变就能持续下去，产生的能量一小部分留在反应体内，维持链式反应，大部分可以输出，作为能源来使用。二、核聚变发生条件有3种：1、巨大的密度。以恒星为例，恒星的核聚变是靠万有引力引发的，当引力将空间中的轻元素主要是氢和少量的氦紧紧压缩到一定程度时，核子间的电磁斥力不足以对抗万有引力，核子就会直接碰撞接触并发生融合，这个过程就是核聚变。这个方法，在地球上不现实，万有引力与质量相关，巨大的引力所需的质量只有恒星才具备，技术上不可模拟。2、极高的温度。热力学定律揭示了物质的热运动速度与温度正相关，任何高于绝对零度的物质都会发生热运动，而运动中的核子只要速度、方向都满足一定条件就可以发生碰撞而产生核聚变，这是在任何高于绝对零度的温度下都可能发生的，只是在一定温度以下发生的几率可以忽略不计。只有当温度高到一定程度之后，在特定密度下足够多的核子以极高的速度运动，使碰撞必然发生时核聚变反应才能持续下去，氢弹就是这样的原理。氢弹用原子弹引爆，氢弹的核原料是氘和氚，这是具有最低临界温度的核聚变原料，原子弹爆炸时产生的温度超过了一定密度下氘和氚的聚变临界温度，于是氘氚的核聚变得以持续发生并释放出大量能量。不过用高温法实现核弹容易，发电就麻烦了，发电用的核聚变不能用原子弹引发，只能用特殊的设备实现如托卡马克装置。问题是，目前的技术条件下，加热到足以引发持续并且安全的核聚变临界温度并维持它所需的能量比核聚变本身产生的能量高多了，靠核聚变本身维持这个温度所需的反应程度却又不可避免的导致爆炸，所以业界预言，至少50年内没有可能在这个方向上取得突破。3、量子隧道效应。前面提到，任何温度高于绝对零度的物质都会存在热运动，而核子发生聚变反应的前提是粒子本身的动能大于“库仑屏障”，这样运动中的核子才能突破电磁斥力发生碰撞并因“强作用力”使核子融合而产生核聚变。在低温下，大量粒子中会有极极极……少数的动能高到可以突破“库仑屏障”而发生聚变反应的粒子，但还有些动能不够突破“库仑屏障”的低速粒子突然“莫名其妙”的突破屏障，这就是量子隧道效应。三、核聚变所需的材料核聚变的消耗的燃料是世界上十分常见的东西——氘，也就是重氢。新的问题出现了，仅仅有氘还是不够的，尽管氘-氘反应也是氢核聚变的主要形式，但我们人类现有条件下，根本无法控制氘-氘反应，它太猛烈了，所需要的温度要高得多，除了在实验室条件下一次性的实验外，很难让它链式反应下去——那是氢弹一样的威力。还好，人们发现了氘-氚反应的烈度要小很多，它的反应速度仅仅是氘-氘反应的100分之一，而点火温度反倒低得多，很适合人类现有条件下的利用。一个问题接着一个问题，氚不同于氘，在地球上几乎没有，现在人类的氚都是人工制造而非天然提取的，人们通常是用重水反应堆在发电之余人工制造少量的氚——它是地球上最贵的东西之一，一克氚价值超过30万美元。这么贵的原料，显然是无法接受的，幸好上帝给人类又提供了一种好东西——锂，锂的2种同位素在被中子轰击之后，就会裂变，他们的产物都是氚和氦，目前为止人类在重水堆中制造氚，用的就是将锂靶件植入反应堆的方法。回核聚变上，氚和氘反应后，除了形成一个氦原子核之外，还有一个多余的中子，并且能量很高。好了，我们只需要在核聚变的反应体之内保持一定比例的锂原子核浓度，那么核聚变产生的中子就会轰击锂核，促使锂核裂变，产生一个新的氚，这个氚则继续参与氚-氘反应，继而产生新的中子，链式反应形成了。所以，理论上我们只需要给反映体提供两种原料——氘和锂，就能实现氘-氚反应，并且维持它的进行。这两种原料还是比较容易取得的，氘在海水中的含量还是比较高的，我们只需要通过精馏法取得重水，然后再电解重水就能得到氘。而锂的资源总量虽然不如氘多，但是更容易取得一些，一方面海水中就包含足够的氯化锂，分离出来即可。另一方面，碳酸锂矿也不是稀有资源，更容易获得。可控核聚变的实现方式然而，正因为核聚变这一能量的巨大，要使之成为服务人类生产生活的理想能源，必须对剧烈的核聚变反应加以控制。这里所说的“可控核聚变”需要满足两个条件：第一，极高的温度；第二，充分的约束。在摸清原理后，科学家们本以为可以很快实现聚变能的应用。然而经过了几十年，这一研究却并未取得期望的成果。至此，研究者们终于意识到，仅靠一国之力，很难完成这一庞大的实验。由此，ITER计划诞生了。ITER：科学“盛宴”ITER计划的提出可追溯至1985年，其后几经变化，自2003年中国加入、美国重返后，终于在2006年正式签署了有关协定，整个计划从2007年开始进入装置建造阶段。具体来说，ITER将把上亿度、由氘氚组成的高温等离子体约束在体积达837立方米的“磁笼”中，产生50万千瓦的聚变功率，持续时间达500秒。如果成功，这将是人类第一次获得接近电站规模的受控聚变能。从科学研究的角度来讲，这一实验可以探究聚变反应中高温等离子体的特性，学习其约束、加热和能量损失机制等；从工程角度讲，则可以验证ITER装置整体及部件，在50万千瓦聚变功率长时间持续过程中产生的变化及可能出现的问题。在此基础上，聚变能示范电站的设计、建造与运行将成为可能。包括提高功率、聚变反应持续等实验，也将继续进行，并争取尽早建设商用聚变堆。在整个ITER的建设中，中国负责的部分约为10%，其中包括12个采购包制造任务（即实物贡献，制造并提供ITER的装置部件），以及20%左右的现金投入。8月14日，中国首批ITER部件（包括包层壁、线圈导体等），在经历了前期的生产资质认证、样品测试等环节后，在合肥正式开工，预计今年年底交付。其中所有部件使用的材料100%为我国自主研发，在全部7个参与国中，仅有两个国家可以做到这样的自主研发生产。罗德隆表示，中国通过参与ITER计划，不仅能够以10%的投入，获得100%的知识产权。更为重要的是，国家将以此为契机，培养、锻炼一支能够掌握和利用这些宝贵知识的人才队伍。可控核聚变方式主流方式有：磁约束核聚变（托卡马克）、激光约束（惯性约束）核聚变、超声波核聚变。托卡马克:利用强磁场约束带电粒子，构造反应腔，建成聚变反应堆，将聚变材料加热至数亿度高温，实现聚变反应。“托卡马克”型磁场约束法，主要利用大电流所产生的强磁场，把等离子体约束在很小范围内实现核聚变。惯性约束核聚变是把几毫克的氘和氚的混合气体或固体，装入直径约几毫米的小球内，从外面均匀射入激光束或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸发，受它的反作用，球面内层向内挤压（反作用力是一种惯性力，靠它使气体约束，所以称为惯性约束），小球内气体受挤压而压力升高，并伴随着温度的急剧升高。当温度达到所需要的点火温度（几十亿度）时，小球内气体发生爆炸，并产生大量热能。核聚变的未来及中国核聚变发展趋势虽然经历了福岛核事故的影响，很多国家并未放弃核电。对于聚焦“未来核能”的ITER计划，各参与国也并未放松。日本核聚变研究所内的相关实验设备在地震中损毁，ITER计划总干事本岛修表示，除非绝对必要，否则并不情愿将日本承担的工作转移到其他成员国。美国也同样。在5月发布的美国能源部2011战略规划中，明确提出要保持国家在清洁能源技术领域的领先定位，并特别提到了支持包括核聚变在内的新技术研究。联合与竞争，在世界可控核聚变研究领域，中国正努力想要走到前列。中国研究磁约束聚变的历史可追溯至上世纪五六十年代，当时的中科院物理所最先建造了一个直线放电装置和两个角向箍缩装置，并于1974年建成了我国第一台托卡马克CT-6。此后不久，中科院等离子体物理研究所成立，并于1995年建成HT-7托卡马克装置。这是继法国之后第二个能产生分钟量级高温等离子体放电的托卡马克装置，同时也是全超导托卡马克装置HT-7U（大科学工程EAST）的前身。EAST是我国自主研发设计、非圆截面核聚变实验装置。作为全超导非圆截面托卡马克，其规模比ITER小得多，但二者的等离子体位形及主要的工程技术基础相似。因此，无论从物理基础、工程技术基础还是人才培养上，均为ITER计划做出了前期研究贡献。在加入ITER计划后，中国的核聚变研究水平提升很快，但罗德隆认为，我国在此领域的研究目前仍处于中等水平，还有继续提升的空间。2008年，中国启动了ITER计划国内专项配套研究，至今已经批准立项32个研究项目，涉及聚变堆的概念设计、波加热、聚变材料及相关等离子体理论和实验研究等内容。今年，磁约束聚变堆总体设计组成立，将为全面消化吸收ITER设计技术、掌握聚变堆相关物理和工程关键做出努力，并同时开展我国磁约束聚变堆的总体设计研究。