聚变能

聚变能
1．聚变能优势：
一升海水中的氘通过核聚变反应可以释放出相当于燃烧300L汽油的能量，相当于可获取2×1011TW•a的能量，若以20TW•a的消耗量，则可使用100亿年。

即使以现在可行的氘氚聚变，以地球上生产氚所用的锂的储量，也可以使用上千万年左右。

从这个角度说，核聚变是解决人类能源危机的终极方法。

并且，它还是相当安全的能源。

燃烧等离子体一旦建立，任何运行事故都能使等离子体冷却，从而使核聚变堆在短时间内熄灭。

它是相当清洁的能源，不产生化石燃料电站所释放的的二氧化碳和氮氧化物等，也不产生长寿命高放射性的废物等，在运行过程中的放射性也很小。

氚具有放射性，但是其半衰期仅有12.3年，因而很容易处理。

因而，从长远来看，聚变能是解决人类能源危机的最有效最现实的方法。

2．核聚变的原理：
原子核由中子和质子构成。

核
子组成原子核时，放出结合的能量。

原子核全部结合能量被其组成原子
核的核子数(质量数)除的商，称为
平均结合能。

若将对应质量数的平
均结合能用曲线表示的话，那么如
图所示。

由这个图可知平均结合能
在质量数60附近为最大。

这就意味
着采用一些方法，使得原子核向着
质量数60左右的原子核变化，使其
释放出多余的结合能量。

利用这种
结合能就是利用原子能。

由图示的
情况可知，有两种方法。

即：一种是使非常重的原子核裂变二个，分别利用质量数变换成60左右的原子核时放出的能量的方法（核裂变反应）；第二种是利用使二个轻原子核聚合为重原子核时放出的能量的方法（核聚变反应）。

我要说的就是第二种方法。

如果两个原子核非常接近，那么强大的核
力作用下，就会引起核聚变反应。

但是原子核
总是带正电，相互之间会有库伦斥力。

要引起
核聚变反应，就必须克服这种库伦斥力，使原
子核接近到核力可以起作用的地方，这就必须
是原子核具有很大的能量，以使其能够碰撞反
应。

由右图（反应截面积可以近似的理解为反
应的几率）可知，要发生聚变，需要加给原子
核的能量的数量级是KeV，而从反应式可知，
核聚变反应所产生的能量是几个到几十个
MeV，可以向外输出能量。

但是，如果简单地考虑前边所谈的能量关
系，难么若使KeV能量级的氘原子核射入，似乎应该很容易引起核聚变反应，但是，事实并不是这样，被加速的原子核与靶核的核外电子反应截面比发生核聚变反应的截面大上108多倍，因而入射的能量大部分被浪费在与核外电子的反应上了，并不能引起核聚变反应。

考虑到以上的问题，要引起向外释放能量的核聚变反应，就要满足以下条件：（1）各原子处于电离的状态。

（2）各原子核所具有的能量不具有方向性的状态，即各向同性。

（3）若只是带正电荷的原子核，相互之间的库伦斥力非常大，约束在一定的空间是非常困难的，因而要混入等量电荷的电子，使其在宏观上呈现电中性状态。

超高温等离子体可以满足这些条件，各原子核在激烈的热运动过程中发生碰撞，引起核聚变反应。

这被称为受控热核聚变反应，这是目前最可行的发生聚变发应的途径。

3.实现受控热核聚变的方法：
由上面的讨论可知，核聚变面临着三大难题：一是温度，怎样把气体加热到几亿度以克服带正电荷离子之间的库伦力；二是对气体的束缚，任何材料都不能约束温度过亿度、密度足够大的气体使其不致飞散；三是若要使核聚变持续进行，就要长时间的高温，并提高约束能量的能力。

当然，除了这三个问题，其他科学和工程上的问题还有很多。

1、磁约束等离子体的方法
核聚变反应堆堆芯是前面讲过的高温等离子体。

由上面的讨论可知，超高温等离子体的温度高达亿度。

任何材料都承受不住这样的高温，只能使其悬浮在真空中间，使用磁约束，即用闭合的磁力线组成的“磁笼”来约束。

这样，原子核只能在容器的中间运动，虽然其温度很高，但是容器壁的温度是比较低的。

如何利用磁场稳定的封闭超高温等离子体，是现在核聚变研究的主要课题。

磁束缚等离子体的方法，目前研究比较多且比较现实的即为前苏联科学家发明的“托卡马克”装置。

托卡马克装置又称环流器,是一个由环形封闭磁场组成的真空磁笼。

高温等离子体就被约束在类似面包圈的磁笼中。

它利用强大电流产生的强大磁场,把等离子体约束在很小范围内，并保持足够长的时间，以使氘氚等离子体达到核聚变反应所需要的条件。

而另一方面，激光技术的发展，使可控核聚变的“点火”难题有了解决的途径。

2.惯性约束核聚变
另一种实现核聚变的方法是惯性约束法。

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，就像喷气式飞机往后喷气体推动飞机向前飞一样，小球内的气体受挤压后压力升高，并伴随着温度的急剧升高。

当温度达到所需的点火温度(大约几亿度) 时，小球内气体便发生爆炸，并产生大量热能。

这种爆炸过程时间很短，只有几个皮秒。

如每秒钟发生三四次这样的爆炸并且连续不断地进行下去，所释放的能量就相当于百万千瓦级的发电站。

原理虽然简单,但是现有的激光束或粒子束所能达到的功率，还与此相差几十倍、甚至几百倍，加上其他种种技术上的问题，使惯性约束核聚变仍是可望而不可及的。

与磁约束核聚变反应的不同时，惯性约束核聚变的等离子体并不需要任何的外力对其约束，而是依靠燃料本身的惯性，在高温高压下，在氘氚燃料还没来得及飞散之前的短暂时间内引发核聚变反应。

磁约束核聚变核惯性约束核聚变共同点是他们都要求1亿度以上的高温。

二者的
不同点在于：磁约束核聚变等离子体的密度很低，约为，因而其约束时间为秒的量级；而惯性约束核聚变等离子体的密度极高，约束时间为纳秒量级。

与氢弹的热核反应的条件类似。

4.核聚变在我国的发展:
我国国内的等离子体物理与核聚变的发展基础较好，在国际上很有特色，国际地位不断提高。

（1）我国在20世纪70年代以来在一系列中、小装置（CT-6B,HT-6B,HT-6M KT-5C,HL-1,HL-1M等）上取得了大量研究成果。

（2）20世纪90年代又建成了HT-7超导托卡马克，成为世界上少数拥有超导设备的国家之一。

（3）在2003年下一代装置HT-7U大型超导托卡马克装置，即EAST建立，它为ITER提供了长脉冲稳态先进运行高参数非圆等离子体平台的实验装置，将会在发展稳态高性能等离子体物理的科学研究计划中处于世界前沿地位。

（4）中国特色的核能战略
参考文献
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【2】丁厚昌,黄锦华,盛光昭,等.核聚变能[M].北京:原子能出版社，1998.
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