可控热核聚变反应

第四节　可控热核聚变反应

核电站的燃料主要是铀，这也不是理想的长期能源，迟早也要面临铀矿枯竭的危机。最理想的，既洁净又取之不竭的核能当然是聚变能的利用，它将“一劳永逸”地解决人类能源供应问题。核聚变是指由质量小的原子，在一定条件下发生原子核聚合作用，生成质量更重的原子核，这一过程伴随着巨大的能量释放。

自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素——氘氚的聚变，这种反应在太阳上已持续了50亿年。一次氘氚聚变反应，可放出17.6兆电子伏能量，平均每个核子所放能量为3.5兆电子伏，比裂变反应中平均每个核子放出0.85兆电子伏能量还要大得多。

核聚变

氘和氚在一定条件下，它们的原子核可以互相碰撞而聚合成一种较重的原子核——氦核，同时把核中贮存的巨大能量（核能）释放出来。氘在地球的海水中藏量丰富，若全部用于聚变反应，释放出的能量足够人类使用几百亿年，而且反应产物是无放射性污染的氦。

尽管人类早已了解核聚变原理，也成功将它投入实际应用中——造出了威力可怕的氢弹，但和平利用核聚变作为稳定能源却一直是让各国科学家挠头的难题。要把核聚变时放出的巨大能量作为可使用的能源，必须对剧烈的核聚变反应加以控制，因而称为受控核聚变。经过半个世纪的努力，虽然已显示出胜利的曙光，但要发展到实用阶段，还要作长期艰苦的努力。

一、自持的聚变反应过程与条件

氘氚反应，常用的轻核聚变反应有下列四个：

上面四式相加，可得以上四个反应的总的效果是：

由这四个反应可见，这些轻核都是带电的。由于斥力，室温下它们相互之间是不会聚集在一起发生反应的。而裂变反应中，中子不带电，热中子就可引起铀核裂变，且可实现链式反应。这是聚变与裂变的重要区别。

为了使两个带正电荷的核靠近，必须使它们有足够的动能，足以克服两者之间的库仑势垒，然后依靠短程核力聚合在一起，发生反应。下面是发生核聚变的一些必要条件。

（1）高温——可为氢原子提供足够的能量，以克服质子之间的电荷排斥。核聚变需要的温度约为1亿开（约是太阳核心温度的6倍）。在这样的高温下，氢气的状态为等离子体，而不是气体。等离子体是物质的一种高能状态，其中所有电子都从原子中剥离出来，并可以自由移动。太阳的高温是由重力压缩核心的巨大质量而产生的，而我们借助微波、激光技术解决人工核聚变的温度问题。

氘氚聚变反应

（2）高压——压力可将氢原子挤在一起。氢原子之间的距离必须在1×10^－15米以内，才能进行聚合。太阳就是利用其质量和重力将核心内的氢原子挤压在一起。我们在人工核聚变中要将氢原子挤压在一起，可以使用强大的磁场、激光或离子束。

借助目前的技术，我们有两种方法可实现发生人工氢核聚变所需的温度和压力——磁约束和惯性约束。

二、磁约束

从目前研究来看，实现可控热核聚变最有希望的途径是利用磁约束，即利用磁场将高温高密等离子体约束在一定的容积内，且维持足够长时间，使其达到可控核聚变条件。

磁约束装置种类很多，其中最有希望的是环流器，又称托卡马克装置，这个装置是20世纪50年代初期，苏联科学家塔姆和萨哈罗夫提出的。托卡马克是磁线圈圆环室的俄文缩写，又称环流器。第一个托卡马克装置，于1954年在苏联库尔恰托夫原子能研究所建成。在托卡马克装置中，聚变反应是在圆环形的聚变反应室内进行的。这个反应室像一个汽车轮胎的内胎一样，圆环上绕的线圈产生的强磁场，使高温产生的等离子体保持在圆环的中心，不会和圆环的内壁接触。首先用感应产生的大电流，对等离子体进行加热。这种加热是利用等离子体有电阻的特性进行的，所以又叫电阻加热或欧姆加热，但是随着温度的升高，本已微弱的等离子体电阻又急剧下降。所以用欧姆加热，在一般情况下很难使等离子体内的离子温度超过1000万摄氏度。因此需要在欧姆加热的基础上，对等离子体进行二次加热。可以采用注入具有很高能量的不带电的原子束，即中性束的办法。1978年美国科学家用这个办法，将等离子体加热到7000万摄氏度。

当等离子体达到一定的温度，由于原子核运动速度的增加，会使它们在相互碰撞时，克服彼此间的静电斥力而发生聚变。

磁约束环流器

20世纪60年代中到70年代，各国先后建成了很多托卡马克实验装置，核聚变研究进入了一个高潮期，人们逐渐了解影响磁约束及造成能量损失的各种机理，摸索出克服这种不稳定性及能量损失的对策。随着核聚变研究的开展，人们对实现受控核聚变越来越有信心。

三、惯性约束

20世纪60年代以来，随着激光的出现，在受控核聚变的领域，出现了一支强大的新的生力军——惯性约束。

在地球上，核聚变能最先是通过惯性约束，在氢弹中大量产生的。在氢弹中，引爆用的原子弹所产生的高温高压，使氢弹中的核聚变燃料依靠惯性挤压在一起，在飞散之前产生大量聚变。但是氢弹爆炸时，每次释放的能量太大，使得人类难以利用。如果我们不是用原子弹，而是用其他办法，有节奏地引爆一个个微型氢弹，就能够得到连续的能量供应。这种设想，在20世纪60年代激光问世以后，就有了实现的可能性。

中国工程物理研究院的惯性约束核聚变激光驱动装置原型

为了加大激光引爆的效率，一般是对称地布置多路激光，同时照射直径1毫米左右的氘、氚实心或空心小丸。在十亿分之几秒的时间里，激光被靶丸吸收，周围形成几千万摄氏度的高温等离子体组成的冕区，发出比太阳耀眼得多的光芒，使靶丸大部分外层靶材受热向外喷射，由于反冲力形成的聚心冲击波，将靶芯千百倍地压缩，并产生上亿度的高温。依靠聚心压缩的惯性，靶芯在尚未来得及分散前发生聚变。

1963年，苏联科学院巴索夫院士，提出用激光引发核聚变的建议。1968年苏联学者又用激光照射氘氚靶产生了核聚变，证明激光核聚变的概念是正确的。差不多同时，我国物理学家王淦昌教授，1964年也独立地向我国有关部门提出激光核聚变的建议。根据这一建议，中国科学院上海精密光学机械研究所，从20世纪60年代起就开始准备激光核聚变的研究，1973年实现了激光核聚变，探测到聚变反应中释放出的高能量的中子。

但是1968年及1973年在苏联及我国的装置上，都只有个别的氘氚原子核发生了聚变反应。为了使激光核聚变达到可以实用的规模，当时简单的计算表明，必须使激光的能量达到几千万到几十亿焦耳。要想得到如此大的激光能量，无论在当时或现在都是难以想象的。因此激光核聚变虽然是可行的，却使科学家们望而生畏。

我国第一颗氢弹

经过10多年的努力，激光核聚变已取得了明显的进展。1987年，我国上海光学精密机械研究所，建成能量1000焦的“神光”激光装置。如果这1000焦的能量是1秒内产生的，则只有1000瓦的功率，但神光装置的发光时间不到十亿分之一秒，因此功率达十亿千瓦以上。利用它轰击0.1毫米直径的氘氚小球，小球的温度可达1000万摄氏度以上，并形成1000万个大气压的向心压力，使小球产生聚变反应。

惯性约束除了采用激光外，20世纪70年代后还研究用电子束及离子束，但未取得成功。无论是磁约束还是惯性约束，都需要极高的温度，所以称为热核聚变反应。

综上所述，可控热核聚变研究目前还处于基础研究阶段，由欧盟、中国、美国等7方共同参与、为期30年的国际热核聚变实验反应堆计划，至今尚未取得阶段性成果。工程性的验证及示范装置估计将在21世纪中叶出现，至于商业性应用则为时更远。

国际热核聚变实验反应堆示意图

实践馆：

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