核聚变发展史

1 绪论

1.1聚变能

能源作为社会进步的三大支柱之一，是社会进步和人民生产生活所需的基本条件。伴随着社会的发展，特别是我国现阶段的快速发展，对能源的需求更加旺盛。能源问题不仅关系我们国家未来的发展，更关系到人类未来的发展方向。

能源问题与民生国事紧密相联，国家要发展，能源结构和能源体系必需合理完整。而我国的能源体系发展比较畸形，化石燃料的应用比例较高。就电力系统而言，煤电所占比重超过70%。

目前，全世界每年新探明的石油储量小于当年的开采量，呈现了石油的总危机。煤的储量比石油丰富。然而，这类化石燃料的资源终究很有限的。目前已知可利用的化石燃料热值估约100 Q(1 Q=1.05×102 J），设全球每年消费能量1 Q(为目前的5倍)，只敷百年之用。

自从20世纪中叶开始建立裂变原子能电站以来，至今它已发展为成熟的技术。虽然核裂变燃料（铀）的热值比碳氢燃料高得多，但是根据目前的估计，对于有开采价值的铀矿来说，即使应用增殖堆来增殖燃料，其可利用的热值总数200 Q，也只够两个世纪的需要。

通过各种能源的应用比较，许多人认为要想最终解决人类的能源问题，必须大规模的发展核能。核能的应用主要有两种方式：核裂变和核聚变。而核聚变仍热存在原燃料枯竭和环境污染等问题，所以能源问题的最终解决途径还得归结到核聚变的发展。而核聚变最大的优势之一是其丰富的燃料储量，其来源是海水蕴含极丰富的氢元素的同位素氘和氚。1克氘完全燃烧相当于8吨煤燃烧所释放的能量。因此，核聚变即是清洁的、又是用之不竭的能源。

因此，有必要发展受控热核聚变以弥补化石燃料与核裂变燃料带来的能源缺点。受控热核聚变的燃料是重氢－氘,它普遍地存在于自然界的水中。重水(D2O)约占水分子数的七千分之一。聚变燃料具有很高的热值，1公斤氘相当于4公斤的铀(235U)，8600吨汽油，或11000吨煤，也就是1桶水的聚变能抵400桶的汽油。全地球水的总聚变潜能为1.5×1010Q，足供人类使用百亿年，超过迄今为止地球的历史年龄。就拿较易实现的氘-氚聚变来说，再生氚所需要的锂(6Li)也足够用千年。因此，可以说，如果受控热核聚变能够实现将为人类提供取之不尽的新能源。目前，就燃料成本来说（按热值计），氘比煤便宜千倍，比石油便宜万倍[1]。

核聚变与核裂变相比较，除了其燃料无比丰富与价廉之外，还有放射性污染相对少的优点。聚变过程中的氚虽是放射性元素，但其半衰期比较短（12年），

且其放射性低，生物效应也较弱，比起裂变碎片的放射性处理要简单得多。但聚变堆与裂变堆中都有经中子撞击而激活的结构物质，这就必须要设置屏蔽物进行有效屏蔽。

除了纯聚变反应堆以外，也有可能使用聚变－裂变混合堆，它利用聚变产生的强大中子流，使裂变堆中的238U或232Th转换为239Pu或233U，成为有用的裂变燃料。并且14MeV的中子也能引起238U裂变的能量输出倍增效应。它使聚变有增益的条件放宽，较易实现。

因此，发展聚变能是社会向前发展的根本动力，是解决当今社会存在的各种各样能源问题和环境问题的最终途径。所以研究核聚变，使它成为可控的、安全的、清洁的高品质能源。

1.1.1国际受控核聚变的发展史

在1919年，英国物理学家、质谱仪的发明者阿斯顿（F.W.Aston）在试验中发现氦-4质量比组成氦的四个氢原子质量的总和大约小1%左右，根据爱因斯坦的质能方程所知，其质量差和光速的平方的乘积与四个氢原子结合成一个氦原子时所释放的能量相当。著名的物理学家卢瑟福也几乎在同时证明了足够大量的轻原子核相互碰撞可以发生核反应，但在1933时他又宣布：从原子中寻找能源无异于痴人说梦。1929年，阿特金森（Atkinson）和奥特麦斯（Houtermans）从理论上计算了氢原子在几千万度高温下聚变成氦原子的可能性，为以后的核聚变奠定了理论基础[2]。1934年，澳大利亚物理学家奥利芬特（Oliphant，Marcus Laurence Elwin 1901~）用氘轰击氘，生成一种具有放射性的新同位素氚，实现了第一个D-D核聚变反应。1942 年美国普渡大学的施莱伯（Schreiber ）和金（King），首次实现了D-T 反应。第二次世界大战时，曼哈顿计划的成功实施，科学家们也在逐步的观察核聚变发应的可能性。通过科学家们不断的努力实验研究，终于于1952年11月1日在西太平洋埃尼威托克岛秘密爆炸了一颗氢弹，爆炸时产生的巨大能量标志着人类成功的实现了核聚变。但同时，有一个问题困扰了世界上的科学家，那就是如何能够使核聚变缓慢的释放聚变能，能够像核裂变一样转换成电能为人类提供生产生活所必需的能源？1951年的时候，阿根廷科学家称他们已经成功的实现了可控核聚变，虽然后来被证明是错误的，但也为世界上的科学家们提供了很多有用的研究信息[3]。20世纪50年代的时候，世界上很多国家都秘密的展开了对核聚变的相关研究。当时核聚变研究处于世界领头羊的是美国和苏联，1952年的时候，物理学家库幸和沃尔建造小型等离子体环形箍缩装置，后来由建造了一种比较稳定的大型箍缩装置ZETA，从1954年一直使用到1958年。在苏联，受控核聚变也在高度保密的情况下有条不紊的进行。在冷战

结束，即1956年，苏联最高领导人赫鲁晓夫访问英国，正式标志着核聚变研究国际合作的开始。但正式的开始却是1958年在日内瓦召开的原子能国际大会，大会正式决定展开国际合作与交流。

但是在此后的10年时间内核聚变研究进展一直缓慢，令各国都很困惑，相比于核裂变从发现到应用的时间，核聚变的进展一直慢的出奇。直到苏联物理学家塔姆和萨哈罗夫在托卡马克装置上取得非常好的等离子体参数，后来英国卡拉姆实验室主任亲自带最先进的激光散射设备证实了托卡马克装置拥有比塔姆等报告的参数还要高的温度后，托卡马克就逐渐成为了国际磁约束核聚变烟酒的主要设备，同时也在世界范围内掀起了托卡马克的研究热潮。

在托卡马克研究取得巨大的进展时，受控核聚变也取得了巨大的成功。1991年，在欧洲的JET装置上首次获得了1.7WM的聚变能[4]。紧接着，在1993年，在美国的TFTR上获得了氘氚作为燃料的10WM的聚变能。1997年，在欧洲的JET获得了16WM的聚变能。

为了在核聚变方面取得更多的成就，国际上开展了第二次核方面的合作。1985年，在美国和苏联的倡导下，加上成员国日本和欧盟。有他们共同出资合作设计了国际热核实验反应堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，缩写为ITER）。建造ITER的目的就是看是否能够建造核聚变反应堆。进入21世纪后，中国、韩国和印度也相继加入ITER计划，使得该计划的研发能力的到加强。

为了解决人类的能源问题，受控核聚变从遐想、各国的秘密研究再到国际间的规模性合作。核聚变经历相当的慢长时间，ITER的建造，使得该研究终于看到了一点曙光，也使得人类的能源问题有了一点希望。

在磁约束聚变取得进步的同时，惯性约束聚变也取得了前足的进步。从60年代激光器问世以后，我国的核物理科学家王淦昌和前苏联的巴索大院士分别独立的提出用强激光器来引发核聚变反应的设想。从此以后，世界上研究核聚变的国家争相开展了用强激光引发的核聚变，称之为激光惯性约束核聚变(ICF)。目前ICF还是处于科学实验室研究阶段。美国制订了一系列核聚变的发展计划，1994年11月，被称为“国家点火设施”的激光核聚变计划正式签发[5]。法国授权原子能委员会进行“兆焦耳激光 (LMJ)”的研究和发展阶段计划。

最近关注美国国家点火装置(NIF)进展情况的英国科学家，计划在英国兴建世界首座核聚变发电站，并表示有望在20年内投产。

1.1.2 中国受控核聚变的发展史

从二十世纪五十年中期开始，我国就进行了核聚变方面的研究，主要的研究