可控核聚变技术

可控核聚变技术
2013-09-23木立摘自新浪博客阅144转7
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核聚变是指由质量小的原子（主要是氘或氚），在一定条件下（如超高温和高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。

目前人类已实现了不受控制的核聚变（如氢弹的爆炸）。

受控核聚变是在一定的条件下，控制核聚变的速度和核规模，实现安全、持续、平稳的能量输出。

受控核聚变技术难度极高，核聚变的条件相当苛刻，要求具有足够高的点火温度（几千万摄氏度甚至几亿摄氏度的高温）、非常低的气体密度（相当于常温常压下气体密度的几万分之一），并保持温度和密度足够长的时间等。

目前发现的主要受控核聚变方式有：超声波核聚变、激光约束（惯性约束）核聚变、磁约束核聚变（托卡马克）。

由于受控核聚变具有原料充足、经济性能优异、安全可靠、无环境污染等优势，因而有望成为人类取之不尽、用之不竭的理想能源。

当很轻的原子核——例如氢的同位素氘和氚——结合在一起形成重一些的元素时，将会损失一些质量，同时放出惊人的能量。

这一过程，我们称之为核聚变。

核聚变是最好的能源之一，从上个世纪二十年代开始，人们就开始憧憬从聚变中获取大量能量。

这种方式的好处
很多：和核裂变相比，它产生的放射性污染少得多；和火电相比，它需要的原料少得几乎可以忽略不计；而且它的原料到处都是，成本也并不高。

我们现在已经可以从海水中提取氘，每升氘能够产生的能量相当于燃烧300升汽油。

而一个百万千瓦的核聚变电厂，每年只需要600公斤原料；做为对比，一个同样规模的火电厂，每年需要的
燃料煤，将是210万吨。

但是发生核聚变的条件，苛刻得似乎在地球上难以找到。

太阳的核心温度是1500万度，地球表面没有任何材质能够经受住这样的高温。

而且如果想在1500万度就发生核聚变反应的话，原子核之间的距离必须相当近——换言之，需要相当惊人的压力。

这种反应过程完全无法控制，它将不再是发电站，而是氢弹。

这就是为什么氢弹需要靠原子弹来引爆的原因：只有原子弹爆炸能够满足核聚变所需的条
件。

而和平利用核聚变能量，则需要相对缓慢地释放能量。

当压力和原子密度不够的时候，就需要更高的温度。

为了控制核聚变的能量，研究者们只是用很少的原料，同时将其加温到相当高的温度——往往在一亿度以上。

很显然，没有任何材质能够经受住这样的高温，在这样的温度下，任何物质的原子核和电子都将会分离，变成除了常见的固体液体气体之外的物质形态：等离子体。

如何约束这些正在聚变的原子核，就成了一个重要课题。

美国在1938年开始使用磁场来束缚等离子体，这也是我们现在最常用的方法之一。

在这方面，苏联迈出了坚实的第一步。

1954年，苏联制造了一台利用磁约束来控制核聚变的设备，命名为托卡马克（Tokimak）。

它采用超导线圈，将会产生相当强烈的螺旋型磁场，将其中的高温等离子体约束住，并与外界尽可能地绝热。

这种设计思路在1958年的“和平利用原子能”会议上公开后，各国纷纷仿效，建立起自己的托卡马克装置。

1968年，苏联的T－3托克马克获得了远远超过其他设备的性能，更进一步奠定了这种装置广泛使用的基础。

从上世纪七十年代开始，在国际联合开发核聚变的协议下，这个领域理论和实践发展的速度，只有微处理器行业可以与之相比。

2006年，欧盟、中国、美国、日本、韩国、俄罗斯和印度7方合作签订了国际热核聚变实验反应堆（ITER，International Thermonuclear Experimental Reactor）实施协定，试图以十二年的时间和上百亿美元的投入，将受控核聚变发电这一梦想变成现实。

在法国南部的风景区卡达拉舍（Cadarache），ITER正在建设当中。

它的核心是历史上最大的托卡马克装置，由超过1万吨的特殊合金制造成的超导线圈来提供磁场约束。

进行反应的原子核放出的恐怖高温将会厚重的钢板和紧密排列的水管来吸收，然后用加热过的水发电。

虽然这一项目可能要在二十年之后才能最终完成，但是看起来很有可能取代我们一直依赖的化石燃料。

目前研究者们关注的主流核聚变技术是氘氚反应。

氘可以从海水中提取，而氚也可以很容易地通过用中子和锂金属反应来得到。

地球上存在的原材料足够让人们用上数十万年，而它能够产生的超级能
量，让其单位成本几乎为零。

这样的优势足以让人们对受控核聚变技术投入巨资，而这还不是最理想的核聚变反应方式——就在我们举目所及之处，还有着几乎取之不尽的丰富宝藏：氦3，它不仅可以发电，还可以将人类的足迹印在更远的星体上。

氦3是氦气的同素异形体，它是目前最理想的核聚变原料，而月球、土星和火星上的氦3含量高得足以令人雀跃。

当氘和氦3聚变反应时，几乎不会产生辐射污染，而释放出的带正电的质子可以直接用来推进宇航器前进。

当使用核聚变推进器时，从地球到火星的航程只需三个月时间，将会比传统的推进器快上一倍。

受控核聚变技术的成功，将意味着无限能源和太空探索新时代的到来。

人类将不再受到能源的束缚，也可以在星际探索的道路上走得更远。

而这一切，有望在未来的数十年之内变成现实。