聚变反应堆

核聚变反应指在高温、高压和高密度的条件下，两个质量较小的原子核结合成质量较大的新核，反应的同时会释放出巨大能量。

核聚变反应

例如，氘核和氚核在一定条件下（如超高温、高压）可以聚变为氦核，在发生聚变反应的同时，会释放出巨大能量。核聚变反应所产生的能量比核裂变反应所产生的能量更大。太阳内部连续进行着氢聚变成氦的过程，它的光和热就是由这种不断的核聚变反应产生的。

核聚变的应用

主要有军事用途（不受控制的核聚变）和民用发电（受控核聚变）两种。人类已经可以实现不受控制的核聚变，如氢弹的爆炸。但是要想能量可被人类有效利用，必须能够合理地控制核聚变的速度和规模，实现持续、平稳的能量输出。科学家正努力研究如何控制核聚变。

（一）聚变电厂

为了实现聚变的可控利用，科学家进行了多种尝试，这些研究包括：

（1）托卡马克：为实现磁力约束，需要一个能产生足够强的环形磁场的装置，这种装置就被称作“托卡马克装置”——TOKAMAK，即俄语中由“环形”、“真空”、“磁”、“线圈”单词的首字母组成的缩写。早在1954年，在原苏联库尔恰托夫原子能研究所建成了世界上第一个托卡马克装置。当时的托卡马克装置是个很不稳定的东西，搞了十几年，也没有得到能量输出，直到1970年，苏联才在改进了很多次的托卡马克装置上第一次获得了实际的能量输出，这使得全世界看到了希望，纷纷建设起自己的大型托卡马克装置，欧洲建设了联合环-JET，苏联建设了T20，日本的JT-60和美国的TFTR（托卡马克聚变实验反应器的缩写）。中国也不例外，在70年代就建设了数个实验托卡马克装置——环流一号（HL-1）和CT-6，后来又建设了HT-6，HT-6B，以及改建了HL1M，新建了环流二号。此外，在建的还有德国的螺旋石-7，规模比EAST大，但是技术水平差不多。

（2）ITER：2005年正式确定的国际合作项目ITER，也就是国际热核实验反应堆的缩写，地点在法国的卡达拉奇，这个项目从1985年开始，由苏联、美国、日本和欧盟共同提出，目的是建立第一个试验用的聚变反应堆。

（3）EAST：EAST位于中国合肥，超托卡马克反应体部分，唯一能给ITER提供实验数据的装置，它的结构和应用的技术与规划中的ITER完全一样，没有的仅仅是换能部分。EAST解决了几个重要问题：第一次采用了非圆形垂直截面，目的是在不增加环形直径的前提下增加反应体的体积，提高磁场效率。第一次全部采用了液氦无损耗的超导体系。液氦是很贵的，只有在线圈材料上下工夫，尽量少用液氦，同时让液氦可以循环使用，尽量减少损耗的系统才可能投入使用。此外，EAST还是世界上第一个具有主动冷却结构的托卡马克，它的第一壁是主动冷却的，连接的是一个大型冷却塔，它的冷却水可以保证在长时间运行后将反应产生的热量带走，维持系统的温度平衡，一方面是为真正实现稳定的受控聚变迈出的重要一步，另一方面也是工程化的重要标志——冷却塔换成汽轮机是可以发电的。从某种意义上，它就是ITER主反应体大约1/4的一个原型实验装置。

（二）氢弹

氢弹是利用原子弹爆炸的能量点燃氢的同位素氘、氚等质量较轻的原子的原子核发生核聚变反应（热核反应）并瞬时释放出巨大能量的核武器，又称聚变弹、热核弹、热核武器。氢弹的杀伤破坏因素与原子弹相同，但威力比原子弹大得多。原子弹的威力通常为几百至几万吨级TNT当量，氢弹的威力则可大至几千万吨级TNT当量。还可通过设计增强或减弱其某些杀伤破坏因素，其战术技术性能比原子弹更好，用途也更广泛，其爆炸中心温度可达3.5亿摄氏度，远远高于太阳中心温度（约1 500万摄氏度）。

1967年6月17日中国自行设计、制造的第一颗氢弹在中国西部地区上空试爆成功，震惊世界的蘑菇云异常炫目耀眼。氢弹的爆炸成功，使中国真正跨入核大国的行列。

第一颗氢弹的爆炸成功，是中国核武器发展史上的又一次飞跃。它对于加强中国的国防能力有着极其重要的现实意义。中国拥有了氢弹，对于提高中国的国际地位，维护世界和平和第三世界国家的利益，有着战略性的作用。

第一颗氢弹爆炸成功后，中国政府再次郑重声明：“中国进行必要的有限制的核试验，发展核武器，完全是为了防御。其最终目的是为了消灭核武器。我们再一次郑重宣布，在任何时候，任何情况下，中国都不会首先使用核武器。我们说的话，从来是算数的。中国人民和中国政府将一如既往地继续同全世界一切爱好和平的人民和国家一道，共同努力，坚持斗争，为完全禁止和彻底销毁核武器的崇高目标而奋斗！”

未来发展方向

聚变的应用主要是核武器，和裂变一样，和平利用聚变能发电是科学家正在努力的方向。裂变堆的核燃料有限，而且废物处置问题相当麻烦，相比核裂变，核聚变几乎不会带来放射性污染等环境问题，而且其原料可直接取自海水中的氘，来源几乎取之不尽，是认识到的可以最终解决人类社会能源问题和环境问题、推动人类社会可持续发展的重要途径之一。氘—氚聚变反应将释放巨大的能量，一升海水中含30毫克氘，通过聚变反应可释放出的能量相当于300多升汽油的能量。要实现持续的轻核聚变反应，要求相当苛刻，必须在超高温和高压的情况下发生，而且伴随着巨大的能量释放，温度可达上亿摄氏度，几乎没有任何材料可以承受。人类已经实现不受控制的核聚变，如氢弹的爆炸，但要想有效利用核聚变释放的能量，必须合理控制核聚变的速度和规模，实现持续、平稳的能量输出。为了早日能够实现聚变能的可控释放，科学家进行了很多尝试，提出了很多种解决方法。

（一）磁约束型核聚变

磁约束型聚变反应堆是用特殊形态的磁场把氘、氚等轻原子核和自由电子组成的、处于热核反应状态的超高温等离子体约束在有限的体积内，使它受控制地发生大量的原子核聚变反应，释放出原子核所蕴藏的能量。磁约束热核聚变是当前开发聚变能源中最有希望的途径，在受控核聚变的探索方面，已提出了许多种磁约束途径，其中环形磁约束装置（托卡马克）是各个实验方案中最成功的方法。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形磁场，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。中科院等离子体所的EAST采用世界上第一个非圆截面全超导托卡马克，西南物理研究院的中国环流器一号以及国际热核聚变实验堆（ITER）计划也都采用托卡马克的原理实现聚变能的可控释放。磁约束设备比较大，但反应持续性能好，不需要反复点火，适合作为核电厂、大型船舶的供电系统，但其缺点在于开关火性能不佳，灵活度不够，而且维持强磁场所需的电能成本也不低。

（二）惯性约束型核聚变

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（由于粒子的惯性作用形成反作用力，靠它使气体约束，所以称为惯性约束），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（大概需要几十亿摄氏度）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皮秒等于1万亿分之一秒）。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，所释放出的能量就相当于百万千瓦级的发电站。惯性约束中激光约束技术最为成熟，这主要是因为激光技术能产生聚焦良好的能量巨大的脉冲光束，因此我国的神光装置以及美国的国家点火装置都采用这种核聚变约束形式。另外，中国工程物理研究院研制的Z箍缩驱动聚变技术也属于惯性约束，它是利用脉冲功率技术，创造大电流从金属套筒（后变为等离子体）流过的条件，产生超强电磁内爆，使等离子体套筒获得足够的内爆动能，然后与聚变靶丸相互作用，把动能变为辐射能，近似球对称低压缩热核燃料，最终实现大规模的热核聚变。惯性约束的好处在于设备可以做小，而且开、关火控制性能也比较好，适合在未来用于飞行器等领域，但其缺点是需要消耗大量能源产生激光用来点火，而且燃料靶丸制造成本也很高。

（三）聚裂变混合堆

聚变技术，包括进展得比较快的托卡马克，为了获得有益的能量输出，要求聚变产生的能量，远大于为创造实现聚变的条件而消耗的能量，距离商业应用还有相当一段距离。而聚变裂变混合堆只要求聚变产生的能量与消耗的能量差不多相等就可以了，因而它对聚变的要求比纯聚变堆容易些，是实现聚变能商业应用的捷径。所谓聚变裂变混合堆就是利用聚变反应产生的中子，在聚变反应室外的铀-238、钍-232包层中，生产钚-239或铀-233等核燃料，同时释放出裂变能。从能量得失来看，聚变裂变混合堆利用裂变倍增了聚变能，其值可达一个数量级，因此聚变堆芯只要接近或达到能量得失相当，就有建造的意义。在混合堆中，聚变要不断加料才得以维持，而裂变处于次临界状态，不存在超临界等安全问题。当前一些大型托卡马克装置已达到混合堆的聚变堆芯要求，而裂变是成熟技术可以直接采用。混合堆减轻了对材料的要求，是纯聚变堆商用的过渡堆型。

（四）核爆聚变电厂

所谓核爆聚变电厂就是利用聚变装置爆炸释放的能量来发电，聚变装置的设计原理和氢弹基本相同。由于核爆炸释放的能量是瞬间的，而且非常巨大，因此如何将核爆炸的能量安全地转化成可以利用的热能和电能，技术难度非常大。在设想的电厂当中，核装置在一个巨大的洞室中爆炸，爆炸之前往洞中喷液态金属钠，并使钠在爆炸时刻在爆炸装置的周围形成一定的分布从而大量吸收爆炸的能量，同时还可以有效降低爆炸冲击对爆破洞壁的作用强度。爆炸后，把加热了的钠从洞中抽出，与电厂第二回路形成热交换，从而发电。当然要实现核爆聚变电厂，还需要解决很多问题，例如核燃料的生产和回收问题、安全地把核爆炸能转换为热能和电能，同时还要大幅减少工程技术上的难度。

除了以上几种利用聚变能的方式，科学家还研究了重力场约束型核聚变、常温核聚变、L子催化核聚变、超声波核聚变以及气泡核聚变等聚变方法，这些都是人们试图实现核聚变受控，实现能量持续平稳输出的有力尝试。希望能够通过人们的不断努力，让我们早日用上能量取之不尽用之不竭的人造“小太阳”，从而在享受现代科技带来的舒适便利之时，又采用清洁、安全的能源而不污染环境。

核聚变反应堆

实现受控热核反应，使人类掌握聚变能，是科学上的一个重大课题。轻核的聚变必须在高温下才能有效地进行，温度越高，反应的概率越大。对于最容易实现聚合的氘氚反应，也需要一亿开以上的温度条件，此时燃料（氘氚混合物）早已变成完全电离的物质第四态——由电子和离子组成的等离子体。为了产生足够的聚变能量以维持所需的温度，必须把这种等离子体足够长时间地约束在特定的空间区域内。太阳靠它的强引力场保持住大部分燃料不至于飞散，地球上可用的约束方法，有磁约束和惯性约束两种，均在实验研究中。开发聚变能得难度很大，除了要达到自持聚变反应所需的密度、温度和能量约束诸条件以外，工程上的等离子体控制、耐辐照材料、远距离维修等问题尚需进行很多研究。

2006年11月21日。这是值得记录的日子。国际热棱聚变实验反应堆计划协议在法国巴黎签署。这是人类探索聚变能源开发的历史性时刻。总投资100亿欧元，实验室建在法国；这是一次大型国际合作，欧盟、中国、美国、日本、韩国、俄罗斯和印度参加，成果平等共享；计划历时35年（10年建成，20年试验运行，5年停运关闭）；计划新建一座圆环型磁悬浮实验室。把聚合反应堆置于其中。该装置可望在2020年完成，预计到下半世纪可能实现聚变能商用示范装置。

聚变能源比裂变反应堆的优点是：（1）裂变核燃料铀和钍的储量仍然有限，氘氚聚变反应以海水中的氘为燃料，1L海水所含的氘可释放约7500MJ聚变能，相当于230L汽油或250kg煤，可期望一劳永逸地解决能源资源问题；（2）聚变核燃料价格便宜，可使发电成本大大降低，促进经济的发展；（3）特别安全，不会发生像裂变反应堆超临界或燃料融化等事故，也没有裂变产物污染环境的问题；（4）放射性废物的数量大大减少，没有长寿命放射性核素，较易处置；（5）有可能实现将等离子体带电粒子中的能量直接转变为动力，其热效率高达90%，使热污染问题大为减轻。此外，如同裂变堆，它也不产生大气污染，不排放温室气体。