可控核聚变的发展历程和现状探析

　　摘    要：　能源是人类发展的基础, 核聚变则因其安全高效、释放能量巨大等特点而备受瞩目。文章首先介绍核能的应用现状与背景, 研究核聚变的有关知识和原理, 探讨可控核聚变的发展历程和现状, 并对不同时期和方式的可控核聚变进行探究, 对核聚变的应用进行总结与展望。

　　关键词：　核能; 核聚变; 新能源;

　　0、 引言

　　在当今世界, 能源已成为一个日益重要的问题。目前, 化石能源产生的化学能仍然是能源的主要来源, 大规模利用化石能源和温室气体排放造成的环境污染和全球变暖给社会的可持续发展带来严峻挑战, 体现在经济等多方面, 甚至影响人类的生存。同时, 由于化石能源的不可再生性, 随着人类的不断发展和利用, 化石能源将逐渐减少并最终面临枯竭, 这可能导致严重的能源危机。人类对新能源有着前所未有的期望。核聚变及其优势已成为解决人类能源危机最可能的途径。

　　本文在查阅大量资料的基础上, 以核能应用现状及背景、核聚变原理及方法、核聚变的总结与展望3个模块, 对核聚变目前的发展状况及前景进行介绍。

　　1、 核能应用现状与背景

　　核能的开发利用是现代能源史上的一个重要里程碑。早在1942年12月2日, 费米就建造了第一座核裂变链反应堆, 并逐步掌握了核能。与化学反应不同, 核能通过核反应, 从一个元素到另一个元素或同位素将核结构从一个核转换为另一个核, 从而产生释放能量的质量损失。

　　根据质量能量公式, 当核反应成为另一个元素时, 该元素释放核中包含的大量核能。爱因斯坦能量和质量转换的公式是:

　　式中, E为能量, 单位为J;m为质量, 单位为kg;c为真空中的光速, 为3×108m/s。由于c2的数值很大, 所以质量很小的物质便可以转换成巨大的能量。

　　目前, 核裂变和核聚变是获得核能的两种途径, 相应的能量是核裂变能和核聚变能。核裂变有两种, 自发核裂变和人工核裂变。它通常是指较重的激发态核破坏屏障并分裂成两个相似质量的较轻核, 并由于某些内部机制而产生质量损失。能源的释放已达到工业应用的规模, 核聚变目前仅用于军事领域, 即制造氢弹。

　　2、 核聚变

　　受控核聚变反应堆是满足核聚变条件以利用其能量的装置。目前, 有两种主流方法:一种是磁约束核聚变, 另一种是惯性约束核聚变。当然, 随着科学技术的发展, 世界上出现了许多新方法, 本文统称为非常规核聚变反应方法。

　　2.1、 核聚变的原理

　　核聚变也称为核聚变或热核反应。原理是小质量原子 (主要称为氦原子) 在极高的温度和压力条件下可以相互结合并相互碰撞, 使两个核心相互吸引和碰撞。这会产生新的和更重的核心 (例如氦气) 并产生质量损失。由于原子核之间的融合需要达到飞秒水平, 原子需要大量的动能来克服库仑势垒, 因此核聚变需要在极高的温度下进行。核聚变不太可能发生和控制, 而不是核裂变。核聚变具有以下优于核裂变的优点: (1) 核聚变可释放出比核裂变更大的能量; (2) 没有高端核废料, 对环境无重大污染; (3) 提供足够的燃料。地球含有大约10万亿吨的重氢 (海水中的锶含量为30毫克/升, 锶在海水中的融合产生的能量和300升汽油的燃烧能量) 。根据这种计算, 地球上包含的聚变燃料足以供将来使用, 并且在某种意义上可以说是无限丰富的。

　　2.1.1、 可控的意义

　　要想明白人类追求技术的意义, 首先要明白什么是可控。可控, 是指事物能够按照人类的预期和把控的节奏进行发展。简单来说, 就是能让事物按人类的思想运动。其实, 每当一种力被人类理解时, 人类历史就会发生巨大变化。世界上所有物体的作用方式都能被分解为引力和电磁力, 正是牛顿的力学思想和后世诸如法拉第麦克斯韦的研究让人类掌握了这两种力。而核聚变作为人类掌握最后两种力——强核力、弱核力的代表, 将决定人类接下来的命运。

　　2.1.2 、主流的核聚变方案

　　(1) “第一代”核聚变反应。通过电解水 (主要是氦和氖) 然后加热氢来产生。此时, 氢气变为离子状态, 然后氢气被压缩, 使得它们彼此足够接近以进行核聚变并释放大量能量。氘和氚之间的聚变反应产生中子并释放17.6MeV的能量 (两个铋的聚变反应释放约14.1MeV) 。其核反应方程是:

　　该核反应的缺点是会产生中子, 所以氘氚聚变只能算“第一代”聚变。

　　(2) “第二代”核聚变反应。第二代核聚变反应是氘和氦3反应, 反应步骤和原理可以参考第一代, 反应本身不产生中子, 但由于存在有氘, 氘反应也产生中子, 但总量非常小。

　　(3) “第三代”核聚变反应。“第三代”融合是让氦3和氦3反应, 融合后就没有中子, 可以说是最终的融合。

　　这里应该提到核聚变反应方法和恒星太阳方程不同于这3种类型:太阳现在主要是碳循环的核反应, 其中没有产生自由中子, 核心温度不足以使质子直接碰撞, 因此可以通过量子隧穿实现反应。

　　2.2、 磁约束核聚变

　　在控制核聚变中, 必须说到磁约束核聚变。磁约束核聚变的原理是利用具有特定形状的强磁场来约束和压缩高温等离子体, 以实现受控核聚变的点火条件, 从而实现连续可控的核聚变反应。对于氘氚聚变反应来说, 条件是:温度较高, 离子密度要求大于1个/m3, 约束时间大于1s。这是迄今为止在核聚变领域投入, 最多的研究。该研究的重点主要是托卡马克的研究 (如国际热核聚变实验) 。国际热核实验反应堆 (ITER) 项目以及在这方面取得的成果也是最有希望的。1997年, 欧洲联合环装置的核聚变能力超过16MW。日本的JT-60U设备也达到了输入功率比大于1的聚变功率, 并证实了受控核聚变的可行性。

　　2.3、 惯性约束核聚变

　　惯性约束核聚变是实现核聚变的另一种方式。惯性约束核聚变的方法是将几毫克的氘和氚的混合气体或固体 (或锂) 放入直径约为几毫米的小球体中, 并均匀地注入激光束或粒子束。在外面, 球形表面吸收能量并向外蒸发。由于其反应, 球面的内表面向内压 (反作用力是惯性力, 受气体约束, 因此惯性约束) , 球中的气体被挤压, 温度上升到所需的点火温度 (大约几十亿℃) 。最后, 球中的气体熔化并产生大量热量。这种爆炸过程非常短, 反应不能连续进行。但是, 如果在几秒钟内发生3～4次这样的爆炸并继续, 那么释放的能量可以与100万kW的发电站进行比较。此外, 由于驱动源和熔融叠层在空间上彼此分离, 惯性约束的熔融叠层将比磁约束叠层更容易熔合。

　　2.4、 目前面临的问题

　　目前, 核聚变所面临的难点主要是等离子体的不稳定行为和容器材料的问题。这是当前核聚变的难点, 尤其是等离子体的不稳定行为是目前的主要问题。等离子体的非线性行为一直困扰着人类, 目前还没有好的解决方案。而且, 从商业角度来看, 聚变反应堆功率太低而不能商业化。

　　2.5 、非常规核聚变反应

　　以下两种方法是本文作者在探究核聚变的过程中通过思考最终在信息媒介中找到的方法。

　　2.5.1、 μ子催化核聚变反应

　　当核反应类似于化学反应时, 我们正在考虑核反应是否具有催化剂, 由此发现μ子催化核聚变反应。核心的内部结构复杂而稳定, 如果轻核外部的电子被μ子替换, 则核的稳定性可能大大降低, 并且更可能发生两个核之间的聚变反应。在实验中, 发现当μ子在液态氢中缓和至仅几eV (电子伏特) 时, 它很容易被原子核的正电荷吸引, 从而形成μ子型分子和核聚变反应, 可以提高大约80个数量级。此外, μ子核聚变反应也可释放μ子, 其可继续催化新一轮核聚变反应, 从而形成类似于核裂变反应的链式反应过程。μ子催化比传统的核聚变反应具有更多优点。

　　2.5.2、 General Fusion的方法

　　General Fusion是一家致力于商业核聚变的公司。他们的方法是首先在100万A和1000kV燃料的条件下在反应堆外产生超过500万℃的等离子球;然后是氘-氚等离子体颗粒进入液体铅的旋转涡流, 向内挤压通过一组蒸汽活塞, 压缩压力将等离子球加热到1.5亿℃。如果在几微秒内达到所需压力, 则等离子体将内爆并产生核聚变条件, 最终产生100～200MW的电能。他们拥有非常好的仪器, 并且在将可来以达到将等离子体压缩到核聚变所需的水平。

　　3、 总结与展望

　　能源作为人类生存发展的基础, 是人类科技发展中最重要的课题。而核聚变作为目前最有可能让人类摆脱能源危机的一次能源, 人类也投入了大量精力进行研究。笔者一直以来对核能相关议题比较关注, 在查阅相关资料后, 经过自身消化总结给出自己的理解和知识图谱。本文首先总结了目前人类核聚变的研究进展, 进而介绍了一些非常规的核聚变方式, 并在这个过程中引入思考给出自身理解。如果可控核聚变能够迈出商业化应用这重要一步, 全球性能源问题必将大大改观, 世界现有的能源供给和需求格局也将重新洗牌, 在充足、高效的能源供给下, 航天飞行器将在外太空探索中走得更远, 人类社会文明将得到更高速的发展。最后, 回到能源角度, 只靠核能不能完全解决能源危机, 提高输送能源的效率, 以及人类自身对能源的节约都是十分重要的一环。

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