可持续核聚变反应堆

只管耕耘

可持续核聚变反应堆

（根据网上资料整理编辑）

物理原理

物质由分子构成，分子由原子构成，原子中的原子核又由质子和中子构成，原子核外包覆与质子数量相等的电子。质子带正电，中子不带电。电子受原子核中正电的吸引，在"轨道"上围绕原子核旋转。不同元素的电子、质子数量也不同，如氢和氢同位素只有1个质子和1个电子，铀是天然元素中最重的原子，有92个质子和92个电子。

核聚变是指由质量轻的原子（主要是指氢的同位素氘和氚）在超高温条件下，发生原子核互相聚合作用，生成较重的原子核（氦），并释放出巨大的能量。1千克氘全部聚变释放的能量相当11000吨煤炭。其实，利用轻核聚变原理，人类早已实现了氘氚核聚变---氢弹爆炸，但氢弹是不可控制的爆炸性核聚变，瞬间能量释放只能给人类带来灾难。如果能让核聚变反应按照人们的需要，长期持续释放，才能使核聚变发电，实现核聚变能的和平利用。

如果要实现核聚变发电，那么在核聚变反应堆中，第一步需要将作为反应体的氘-氚混合气体加热到等离子态，也就是温度足够高到使得电子能脱离原子核的束缚，让原子核能自由运动，这时才可能使裸露的原子核发生直接接触，这就需要达到大约10万摄氏度的高温。第二步，由于所有原子核都带正电，按照"同性相斥"原理，两个原子核要聚到一起，必须克服强大的静电斥力。两个原子核之间靠得越近，静电产生的斥力就越大，只有当它们之间互相接近的距离达到大约万亿分之三毫米时，核力（强作用力）才会伸出强有力的手，把它们拉到一起，从而放出巨大的能量。

质量轻的原子核间静电斥力最小，也最容易发生聚变反应，所以核聚变物质一般选择氢的同位素氘和氚。氢是宇宙中最轻的元素，在自然界中存在的同位素有：氕、氘(重氢)、氚(超重氢)。在氢的同位素中，氘和氚之间的聚变最容易，氘和氘之间的聚变就困难些，氕和氕之间的聚变就更困难了。因此人们在考虑聚变时，先考虑氘、氚之间的聚变，后考虑氘、氘之间的聚变。重核元素如铁原子也能发生聚变反应，释放的能量也更多；但是以人类目前的科技水平，尚不足满足其聚变条件。

为了克服带正电子原子核之间的斥力，原子核需要以极快的速度运行，要使原子核达到这种运行状态，就需要继续加温，直至上亿摄氏度，使得布朗运动达到一个疯狂的水平，温度越高，原子核运动越快。以至于它们没有时间相互躲避。然后就简单了，氚的原子核和氘的原子核以极大的速度，赤裸裸地发生碰撞，结合成1个氦原子核，并放出1个中子和17.6兆电子伏特能量。

反应堆经过一段时间运行，内部反应体已经不需要外来能源的加热，核聚变的温度足够使得原子核继续发生聚变。这个过程只要将氦原子核和中子及时排除出反应堆，并及时将新的氚和氘的混合气输入到反应堆内，核聚变就能持续下去；核聚变产生的能量一小部分留在反应体内，维持链式反应，剩余大部分的能量可以通过热交换装置输出到反应堆外，驱动汽轮机发电。这就和传统核电站类似了。



优点：
核聚变较之核裂变有两个重大优点。
一是地球上蕴藏的核聚变能远比核裂变能丰富得多。据测算，每升海水中含有0.03克氘，所以地球上仅在海水中就有45万亿吨氘。1升海水中所含的氘，经过核聚变可提供相当于300升汽油燃烧后释放出的能量。地球上蕴藏的核聚变能约为蕴藏的可进行核裂变元素所能释出的全部核裂变能的1000万倍，可以说是取之不竭的能源。至于氚，虽然自然界中不存在，但靠中子同锂作用可以产生，而海水中也含有大量锂。

第二个优点是既干净又安全。因为它不会产生污染环境的放射性物质，所以是干净的。同时受控核聚变反应可在稀薄的气体中持续地稳定进行，所以是安全的。

目前实现核聚变已有不少方法。最早的著名方法是"托卡马克"型磁场约束法。它是利用通过强大电流所产生的强大磁场，把等离子体约束在很小范围内以实现上述三个条件。虽然在实验室条件下已接近成功，但要达到工业应用还差得远。按照目前技术水平，要建立托卡马克型核聚变装置，需要几千亿美元。



托卡马克
托卡马克，是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。它的名字Tokamak 来源于环形、真空室、磁、线圈。最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。

托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。

二战末期，前苏联和美、英各国曾出于军事上的考虑，一直在互相保密的情况下开展对核聚变的研究。几千万、几亿摄氏度高温的聚变物质装在什么容器里一直是困扰人们的难题。二十世纪五十年代初期，前苏联科学家提出托卡马克的概念。托卡马克（TOKAMAK）在俄语中是由“环形”、“真空”、“磁”、“线圈”几个词组合而成，这是一种形如面包（多纳）圈的环流器，依靠等离子体电流和环形线圈产生的强磁场，将极高温等离子状态的聚变物质约束在环形容器里，以此来实现聚变反应。

受控热核聚变在常规托卡马克装置上已经实现。但常规托卡马克装置体积庞大、效率低，突破难度大。上世纪末，科学家们把新兴的超导技术用于托卡马克装置，使基础理论研究和系统运行参数得到很大提高。据科学家估计，可控热核聚变的演示性的聚变堆将于2025年实现，商用聚变堆将于2040年建成。

2006年9月28日，中国耗时8年、耗资2亿元人民币自主设计、自主建造而成的新一代热核聚变装置EAST首次成功完成放电实验，获得电流200千安、时间接近3秒的高温等离子体放电。EAST成为世界上第一个建成并真正运行的全超导非圆截面核聚变实验装置。



惯性约束法
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（反作用力是一种惯性力，靠它使气体约束，所以称为惯性约束），就像喷气飞机气体往后喷而推动飞机前飞一样，小球内气体受挤压而压力升高，并伴随着温度的急剧升高。当温度达到所需要的点火温度（大概需要几十亿度）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（1皮等于1万亿分之一）。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，所释放出的能量就相当于百万千瓦级的发电站。

美国国家点火装置（简称NIF）耗资35亿美元，建造于一个高十层楼的建筑里，占地面积有三个足球场那么大。它利用激光把固态氢靶丸转化为热核能量。如果按计划如期运转，那么这个装置将成为世界上首台产能高于耗能的设备，也将为激光核聚变电厂的商业化应用扫清道路，解除世界能源安全所面临的问题与危机。
该装置的建造与安装调试耗时近15年，在一个庆祝成功仪式后投入使用。参加上述仪式的有美国能源部长朱棣文（Steven Chu）和美国加利福尼亚州州长阿诺德·施瓦辛格（Arnold Schwarzenegger）。后者曾表示，此装置将“彻底改变我们的能源状况”。

在装置内部，研究人员用世界上最强大的激光器产生192条激光束。

这些激光束将打在一个固态氢球形靶丸上。此过程极其短暂，仅持续五十亿分之一秒。作为燃料的氢靶丸，每一个直径只有两毫米，价值却在四万美元左右，因为它们必须是完美的球体，以保证在被激光击中后能够以理想的方式发生崩溃。强大的激光束产生强烈的冲击波，后者将以每小时100万英里的速度压碎靶丸，同时产生一亿摄氏度左右的高温。在这种原本只能发生在恒星内部的极端条件下，氢原子将发生聚变反应而生成氦原子，同时释放出大量能量。

在未来一年左右的时间里，该装置将逐步提升至满负荷运转，但是实验将按计划进行到2040年左右。美国国家点火装置如获成功，可用于科技领域，建立第一代并网发电的示范性电厂。位于卡拉姆的英国原子能管理局已经制定了一个激光核聚变电厂的系列规划。欧洲高功率激光能源计划（the Hiper project）将用两束激光发电，原料是海水和锂，后者是一种含量丰富的元素。
参与欧洲高功率激光能源计划的约翰·帕里斯（John Parris）说：“此计划的实施将立即改变未来世界的能源地图，一立方千米海水所包含的核聚变能量等于世界全部石油储量所释放能量的总和。”目前，一小部分国家控制着全球的大量石油，导致众多国家担心自身的能源安全。而欧洲高功率激光能源计划实施后，上述担心将荡然无存。

美国国家点火装置还有一些主要的技术难点需要攻克，之后研究者们才能额手称庆。装置中央的激光器每天只能发射几次，而且需要在发射间歇更换氢靶丸。研究者期望在未来的几年里做出改进，以使得装置能够连续运转。这也许意味着，激光器每秒就可以发射10次，而且可以在半空击中落入聚变室的氢靶丸。

只管耕耘

　中国核聚变装置突破极限 七年后将开建实验堆

东方“小太阳”：与极限展开竞技赛

  记者冯丽妃

  ●EAST的母体里嵌入了中国科学家太多自主创新的成果：从设计到建设，整个项目的自研率在90%以上，取得了68项具有自主知识产权的技术和成果。

  ●中科院等离子体所已经不仅仅是聚变装置部件的提供者，更是不少国际核聚变实验装置的提供者与合作者。

  1亿摄氏度，1000秒。这两个数字是盘桓在中国科学院等离子体研究所(以下简称等离子体所)核物理科学家和全球科学界面前的两座难以跨越的山峰。

  因为要让核聚变为人类所利用，就意味着要把氘、氚的等离子体瞬间加热到1亿摄氏度，并至少持续1000秒，才能形成持续反应。而这正是等离子体所大科学装置“东方超环”(EAST)的使命。

  如果说起EAST的学名大型非圆截面全超导托卡马克装置，可能没有多少人知道；但是如果提起“人造小太阳”，很多人都会竖起大拇指。

  在这个集合了世界上多领域科研难题的平台上，等离子体所的核物理学家与国际科学界牵手，向一个个极限发出挑战，不断向全球未来能源研究的最高峰冲刺。

  与极限竞技

　日前，在等离子体研究所一个轰轰隆隆的实验大厅里，科研人员正围绕着一个三层楼高的庞然大物忙碌着。

　　“这是EAST的主机部分，高11米，直径8米，重400吨，主要用来探索实现聚变能源的工程、物理问题，为未来能源发展提供新思路。”等离子体所所长李建刚向参观大科学装置的一行人介绍说。

　　“当前，我国每年要烧100万吨煤发电，如果用核裂变代替煤电能源一年需要5吨铀，但用核聚变一年只要100公斤的重水。”他解释说。取自于海水的氘和氚元素不仅成本低，资源丰富，而且没有任何辐射，是安全和清洁的未来能源。

　　“EAST作为世界上第一个全超导非圆截面核聚变实验装置，集中了超高温、超低温、超大电流、超强磁场和超高真空五个极限。”等离子体所一位科研人员说。

　　每一个极限都是科研的高精尖难题，挑战极限就意味着开拓创新。从1996年至今，EAST的母体里嵌入了中国科学家太多自主创新的成果。

　　“从设计到建设，整个项目的自研率在90%以上，取得了68项具有自主知识产权的技术和成果。”李建刚说。近期，等离子体所刚刚被评为全国创新团队。

　　让2000万摄氏度等离子体持续400秒，这是目前EAST取得的成绩，也是当前国际核聚变反应最好的成绩。“EAST必将对国际热核聚变实验堆计划(ITER)及下一代聚变装置产生更多世界级的、独一无二的贡献。”在今年5月EAST第五次评估中，国际顾问委员会如是评价。

　　事实上，与全球规模最大的能源合作项目ITER相比，EAST只有其1/4大小。但麻雀虽小，五脏俱全，EAST的成功经验已经支撑了ITER的建设。如研制出可通过90千安电流的高温超导电流引线，使ITER致冷电耗每年减少2/3以上；证明ITER磁体电源设计方案存在的风险，并设计出新方案。

　　“目前，中国在ITER七方采购包进度中已成为第一位。在核聚变领域，中国人再也不是可有可无的‘小角色’。”李建刚自豪地说。现在，科研人员正在对EAST进行全方位的升级改造，为2014年新一轮的物理实验作准备。

　　从日、俄竞争者手中赢得“大单”

　　在基础科研创新的同时，EAST也带动着我国核聚变相关高科技加工业的发展。

　　在等离子体所超导导体生产大厅中，李建刚指着堆叠了两人多高的环形导体告诉记者：“这些导体每一根价值都在3000万元人民币以上。”这些外表看起来再普通不过的导管，却内藏乾坤：每根线管里都是1000根头发丝一样细的导线拧成的超导电缆。

　　这些超导线可谓EAST和ITER的“生命线”。因为地球上再耐热的材料也会被核心区1亿摄氏度的聚变反应烧化，而要让反应和装置内壁保持一定的距离就离不开这些超导线。“它们每秒可以通过6万安培的电流，产生10万高斯的磁场，形成一个强大的‘电磁笼’，把等离子体悬浮起来。”李建刚解释说。

　　据介绍，每一根导体都要经过搅缆、穿缆、焊接、检测等多道工序，对工艺要求更是可以用“苛刻”二字来形容。如导管焊缝背面成型厚度不得超过0.1毫米；而在运往日本、法国之前，每根导管还要充满氮气检测其密封性。

　　然而，在EAST建立之前，这项技术尚未诞生。“当时，我国建国以来的超导线总共加起来才有26公斤；而现在除了供给ITER每年所需的150吨预定以外，产量还绰绰有余。”李建刚对比说。

　　ITER很多部件都代表着高附加值，是国际竞争的热点。就在今年9月份，等离子体所刚从日本和俄罗斯两个竞争者手中赢得一个“大单”：为欧盟研制ITER专用的极向场超导线圈。

　　“这个线圈重396吨，比EAST所有的线圈加起来还大。三方中，俄罗斯竞标价最低，而我们的价格比日本人还高100万元人民币，很多人觉得不可思议，但我们是以技术和质量取胜。中国人‘卖白菜’的历史一定会尽快地结束！”李建刚语气坚定地说。

　　除此之外，等离子体所还负责为ITER提供控制电源、超导校正场线圈等70%以上的中国采购包，由此带动了一批国内先进制造业公司的发展。

　　“以前，外国人总认为中国的加工制造质量不高，现在在等离子体所的带动下，我们也可以吐气扬眉了。”在合肥科烨公司加工车间，一位吴姓经理对《中国科学报》记者说。

　　30年恒守“大科学文化”

　　为了让中国在世界聚变研究的前沿领域占据一席之地。30年来，等离子体所一直把敢于创新、争取一流、自力更生、上下一心、甘于奉献的“大科学文化”作为不变的价值定位。

　　据李建刚介绍，如果时光倒流至1990年，彼时等离子体所老一代科学家用40个火车皮拉着400万元人民币的生活物资，与俄罗斯科学家换得部分超导工程装置托卡马克T7。

　　历时3年半，我国科学家将这个原本不具备物理实验功能的装置成功地改造成能够开展稳态高参数实验的全球第四个超导托卡马克装置HT-7。

　　在此基础上，等离子体所科研人员再接再厉，仅用10年时间，就自主设计和建造出世界上首个全超导托卡马克装置EAST。

　　从T7到EAST，集中了等离子体所老中青三代科研人员的智慧、心血和汗水。现在，等离子体所已经培养了一批核聚变国际领军人才。“有3人晋院士、两人入选‘万人计划’、引进‘千人计划’4人、‘百人计划’12人。”李建刚如数家珍。同时，该所已经培养了1000多名研究生，分散在全世界各地。

　　等离子体所恒守的第二个价值定位就是广迎四海的开放精神。在李建刚看来，核聚变离不开国际合作，而国际合作一要靠实力，二要互赢互利。

　　“以前是我们带着方便面跟着人家学习，现在得益于国家支持和EAST建设，基本上都是国外科学家来我们这里做实验。”李建刚说。现在，等离子体所已经不仅仅是聚变装置部件的提供者，更是很多国际核聚变实验装置的提供者与合作者。

　　鉴于对能源的大量需求，我国下一个核聚变装置——中国聚变工程试验堆(CFETR)有望在2020年前后启动，现在装置正在紧锣密鼓地设计中。“我今年52岁，到退休还有13年，希望退休之前，可以把这件事情做好。”李建刚满怀信心地笑着说。