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
集中在两个研究基地中进行，即核工业西南物理研究院和中科院等离子体物理研究所。

1984年，中国自主研究的环流器一号投入运行，1994年，中科院等离子体所研制出HT-7超导托卡马克，使我国成为第四个拥有超导托卡马克的国家[6]。

2002年，成都核工业西南物理研究所成功建成环流器二号并投入运行。

2005年，我国建成了世界首个非圆截面全超导托卡马克——EAST实验装置。

随着中国在核聚变方面的研究取得越来越好的成绩，我国在国际核聚变研究中占据越来越重的地位[7]。

我国不仅在惯性约束聚变方面取得长足的进步，在惯性约束聚变方面，由于我国先进的激光技术，也取得了令人喜悦的成绩，我国惯性约束聚变的研究主要集中在“神光”系列方面的研究[7]。

EAST的相关状况：
最近2006年1月，EAST完成了预总装，2月20日进入抽真空和降温、通电实验阶段。

EAST在2007年1-2月的第二轮等离子体放电实验中，获得了稳定、可控具有大拉长比的偏滤器位形等离子体放电，最大等离子体电流达0.5MA，在0.2MA等离子体电流下最长放电达9秒，并成功完成了磁体、低温、总控和保护、等离子体控制等多项重要工程测试和物理实验。

2008年5月12日，在EAST装置真空室内部组件安装总体验收会上，等离子体所李建刚所长宣布EAST装置真空室内部组件安装全面胜利完成[8]。

2009年11月13日，EAST/HT-7低温系统改造工程的子工程“液氮传输线改造工程”顺利竣工，已成功实现液氮传输功能。

HT-7的相关状况：
2005年12月14日，HT-7获得了1000万摄氏度、持续306秒的等离子体放电。

2007年4月13日，HT-7原有的数据服务器系统完成了大规模的升级，新数据服务器系统由5台专业服务器组成[9]。

2007年5月6日，为完成HT-7实验要求，离子回旋高频发射机末级系统与HT-7托卡马克装置成功连接，取得了输入功率为370KW的可喜成绩。

2008年3月21日凌晨，HT-7物理实验再次创下新纪录：连续重复实现了长达400秒的等离子体放电，电子温度1200万度，中心密度0.5×1019立方米。

这是目前国际同类装置中时间最长的高温等离子体放电。

2009年11月13日，EAST/HT-7低温系统改造工程的子工程“液氮传输线改造工程”顺利竣工，已成功实现液氮传输功能。

1.2受控核聚变的发展阶段
在过去的的50多年的受控核聚变的研究中，大致可以分为六个阶段：第一阶段,各国科学家相继发明各种类型的聚变装置；第二阶段,美国、苏联、英国等国在极其保密情况下开展激烈竞争；第三阶段,各国开始对部分核聚变解密并将重
点转移到对高温等离子体基本性质的研究；第四阶段,世界范围内出现托卡马克研究热潮并不断取得重要进展；第五阶段，国际合作研究热核聚变实验反应堆；第六阶段，激光核聚变等大量惯性约束核聚变装置的发展。

1.2.1 聚变研究初期的各类装置
从核聚变被发现之后，其聚变释放的大量能量和丰富的燃料储量激起了各国科学家极大的研究兴趣。

为了实现聚变能的可控持续的释放，初期科学家发明了各种类型的聚变装置，比较有价值的是：
（1）箍缩装置1946年，英国物理学教授汤姆孙和他的同事布莱克曼提出了环形箍缩原理，即利用环形等离子体自身产生的磁场约束等离子体，使其与器壁脱离，1947年初，他们便建立了一个环形箍缩装置，还建造了一个直线箍缩装置。

（2）仿星器普林斯顿大学天体物理学教授斯必泽于1951提出了将一个环形容器扭成8字形来解决环形装置中漂移问题的设想，并于同年制成了8字形的仿星器，主要概念是等离子体沿8字形仿星器内绕一圈时总的漂移便被抵消了[10]。

（3）磁镜装置1952年，波斯特提出利用磁镜效应解决直线型聚变装置中等离子体从终端泄漏的问题，同年，他们建立万一个直线型等离子体装置，容器是一个内径为10cm长1m 的硬质玻璃管，外部绕有螺旋管线圈，每个端部都放置一个磁镜线圈，以便在端部产生比中心部位强得多的磁场。

（4）托卡马克二十世纪50年代初，苏联物理学家塔姆和萨哈罗夫提出在环形等离子休通过大电流感应产生的极向磁场跟很强的环向和纵向磁场结合起来，便可能实现等离子体平衡位形[11]。

莫斯科的库尔恰托夫研究所在阿齐莫维奇领导下开展了此项实验研究，他们在环形陶瓷真空室外面套很多匝线圈，充电后的电容器组向这些串联的线圈放电，在真空室内形成了环形磁场，由变压器回路放电产生的等离子体电流自身感应的磁场叫做极向磁场，外部线圈产生的磁场叫做纵向磁场，该线圈称为纵场线圈，他们将这种装置叫做托卡马克。

1.2.2 激烈竞争
20世纪50年代初期,受控核聚变在研究初期就受到了广泛的重视，美国的普林斯顿大学、洛斯阿拉莫斯科学实验室、加利福尼亚的利弗莫辐射实验室和橡树岭国家实验室都开展核聚变研究。

1953年, 美国原沪能委员会成立了“ 薛伍德方案” 实施小组专门负责核聚变研究，并且拨出了大量研究经费。

同时，苏联也在秘密的加大受控核聚变的研究力度。

受控核聚变之所以如此受到重视，有各方面的原因，从国际大环境来讲，当时作为世界上的两大超级大国美国和苏联各自代
表的阵营正处于冷站时期，研究核聚变可能在军事上为其开辟新的威慑性武器。

从而两大阵营在不明对方的进展情况下，不断的增加对受控核聚变的经费投入以加大研究的进展。

又因为研究受控核聚变是为了探索理想的新能源，为人类造福, 这对于科学家具有很大吸引力[12]。

从社会上讲，有识之士早在1951年就指出地球上煤、石油等矿物燃料资源在100年后可能会枯竭，因此必须探索研究新能源，核能是重要的候选者，但是裂变能源对环境的放射性污染是令人担忧的，而核聚变能源没有污染问题，很容易受到社会的承认和接纳。

1.2.3 解密和重点转移
1958年是核聚变研究发生重大转折的一年，研究初期的过高期望没有实现，各类装置的高温等离子体普遍出现不稳定性现象，约束性能很差，等离子体温度也与受控核聚变的要求相差甚远。

各国的秘密研究已经阻碍了受控核聚变的研究进展，于是，在1958年日内瓦举行的第二届和平利用原子能国际会议上，美国展出了各种各样的核聚变实验装置，有的是实物，有的是模型，还公布了所有研究资料，从此以后，国际学术交流日趋频繁。

严格保密，各国之间互相封锁情报当然是阻碍核聚变研究发展的重要原因，此外，当时的重点是寻找实现核聚变的具体途径，对高温等离子体基本性质缺乏系统的研究也是重要原因[13]。

于是，将研究重点从急于建成聚变反应堆转向对高温等离子体进行系统的基础性研究。

1.2.4 托卡马克研究热潮
1968年，受控核聚变研究发生了又一次重大转折。

这年8月, 在苏联的诺沃西比尔斯克召开了等离子体物理和受控核聚变研究的第三届国际会议。

会议上最令人嘱目的还是阿齐莫维奇发表的T-3托卡马克上取得的最新实验结果：电子温度:1keV，离子温度0.5keV ，ητ值达到1013m-3·s。

在那时，高达1keV的等离子体被约束了几毫秒，是一件很令人震惊的事情。

之后被英国卡里姆实验室主任证明实验结果是正确的。

从此之后，各国积极的投入到托卡马克的研究中。

在20世纪70年代后期，建造了四个大型托卡马克：美国的TFTR、欧洲的JET、苏联的T-15和日本的JT-60[14]。

这些装置投入运行以来取得的实验结果比很多科学家预想的都还要好，在核聚变的研究历程中取得了令人鼓舞的重大进展。

1.2.5 ITER计划
“国际热核聚变实验堆（ITER）计划”是目前全球规模最大、影响最深远的国
际科研合作项目之一，它的建造大约需要10年，耗资50亿美元（1998年值）。

ITER 装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托克马克，俗称“人造太阳”。

ITER计划倡议于1985年，并于1988年开始实验堆的研究设计工作。

经过十三年努力，耗资十五亿美元，在集成世界聚变研究主要成果基础上，ITER工程设计于2001年完成。

ITER计划是目前世界上仅次于国际空间站的又一个国际大科学工程计划。

该计划将集成当今国际上受控磁约束核聚变的主要科学和技术成果，首次建造可实现大规模聚变反应的聚变实验堆，将研究解决大量技术难题，是人类受控核聚变研究走向实用的关键一步，因此备受各国政府与科技界的高度重视和支持。

2003年1月国务院批准我国参加ITER计划谈判，经过三年谈判，2006年5月24日，经国务院批准，中国ITER谈判联合小组代表我国政府与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国共同草签了ITER计划协定，标志着ITER计划进入全面实施的准备阶段[15]。

1.2.6 激光核聚变
上世纪六十年代，激光问世，我国科学家王滏昌就提出了惯性约束激光核聚变的理论。

由于受当时的技术所限，激光器发展受到严重的制约，生产不出能够使核子聚变的大功率激光器。

随着激光技术的不断革新，能够发出的激光功率越来越来大，使得激光核聚变成为可能。

美国建造了最大的激光装置Nova，由此又建造了美国国家点火装置，希望实现持续可控的惯性约束核聚变[16]。

而中国，也发展出了自己的大功率激光器-“神光”系列装置。

从而使得我国的激光核聚变走在世界的前列。