聚變

簡介

　　核聚變反應(yīng)主要借助氫同位素。核聚變不會產(chǎn)生核裂變所出現(xiàn)的長期和高水平的核輻射，不產(chǎn)生核廢料，當(dāng)然也不產(chǎn)生溫室氣體，基本不污染環(huán)境。

　　利用核能的最終目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)受控核聚變。裂變時(shí)靠原子核分裂而釋出能量。聚變時(shí)則由較輕的原子核聚合成較重的較重的原子核而釋出能量。最常見的是由氫的同位素氘（讀“刀”，又叫重氫）和氚（讀“川”，又叫超重氫）聚合成較重的原子核如氦而釋出能量。

　　優(yōu)點(diǎn)

　　核聚變較之核裂變有兩個重大優(yōu)點(diǎn)。

　　一是地球上蘊(yùn)藏的核聚變能遠(yuǎn)比核裂變能豐富得多。據(jù)測算，每升海水中含有0.03克氘，所以地球上僅在海水中就有45萬億噸氘。1升海水中所含的氘，經(jīng)過核聚變可提供相當(dāng)于300升汽油燃燒后釋放出的能量。地球上蘊(yùn)藏的核聚變能約為蘊(yùn)藏的可進(jìn)行核裂變元素所能釋出的全部核裂變能的1000萬倍，可以說是取之不竭的能源。至于氚，雖然自然界中不存在，但靠中子同鋰作用可以產(chǎn)生，而海水中也含有大量鋰。

　　第二個優(yōu)點(diǎn)是既干凈又安全。因?yàn)樗粫a(chǎn)生污染環(huán)境的放射性物質(zhì)，所以是干凈的。同時(shí)受控核聚變反應(yīng)可在稀薄的氣體中持續(xù)地穩(wěn)定進(jìn)行，所以是安全的。

實(shí)現(xiàn)方法

　　目前實(shí)現(xiàn)核聚變已有不少方法。最早的著名方法是“托卡馬克”型磁場約束法。它是利用通過強(qiáng)大電流所產(chǎn)生的強(qiáng)大磁場，把等離子體約束在很小范圍內(nèi)以實(shí)現(xiàn)上述三個條件。雖然在實(shí)驗(yàn)室條件下已接近于成功，但要達(dá)到工業(yè)應(yīng)用還差得遠(yuǎn)。按照目前技術(shù)水平，要建立托卡馬克型核聚變裝置，需要幾千億美元。

　　另一種實(shí)現(xiàn)核聚變的方法是慣性約束法。慣性約束核聚變是把幾毫克的氘和氚的混合氣體或固體，裝入直徑約幾毫米的小球內(nèi)。從外面均勻射入激光束或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸發(fā)，受它的反作用，球面內(nèi)層向內(nèi)擠壓（反作用力是一種慣性力，靠它使氣體約束，所以稱為慣性約束），就像噴氣飛機(jī)氣體往后噴而推動飛機(jī)前飛一樣，小球內(nèi)氣體受擠壓而壓力升高，并伴隨著溫度的急劇升高。當(dāng)溫度達(dá)到所需要的點(diǎn)火溫度（大概需要幾十億度）時(shí)，小球內(nèi)氣體便發(fā)生爆炸，并產(chǎn)生大量熱能。這種爆炸過程時(shí)間很短，只有幾個皮秒（1皮等于1萬億分之一）。如每秒鐘發(fā)生三四次這樣的爆炸并且連續(xù)不斷地進(jìn)行下去，所釋放出的能量就相當(dāng)于百萬千瓦級的發(fā)電站。

　　原理上雖然就這么簡單，但是現(xiàn)有的激光束或粒子束所能達(dá)到的功率，離需要的還差幾十倍、甚至幾百倍，加上其他種種技術(shù)上的問題，使慣性約束核聚變?nèi)允强赏豢杉暗摹?/p>

　　盡管實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷司圩內(nèi)杂新L艱難的路程需要我們征服，但其美好前景的巨大誘惑力，正吸引著各國科學(xué)家在奮力攀登。

原理

　　核聚變的原理是：在標(biāo)準(zhǔn)的地面溫度下，物質(zhì)的原子核彼此靠近的程度只能達(dá)到原子的電子殼層所允許的程度。因此，原子相互作用中只是電子殼層相互影響。帶有同性正電荷的原子核間的斥力阻止它們彼此接近，結(jié)果原子核沒能發(fā)生碰撞而不發(fā)生核反應(yīng)。要使參加聚變反應(yīng)的原子核必須具有足夠的動能，才能克服這一斥力而彼此靠近。提高反應(yīng)物質(zhì)的溫度，就可增大原子核動能。因此，聚變反應(yīng)對溫度極其敏感，在常溫下其反應(yīng)速度極小，只有在1400萬到1億度的絕對溫度條件下，反應(yīng)速度才能大到足以實(shí)現(xiàn)自持聚變反應(yīng)。所以這種將物質(zhì)加熱至特高溫所發(fā)生的聚變反應(yīng)叫作熱核反應(yīng)，由此做成的聚變武器也叫熱核武器。要得到如此高溫高壓，只能由裂變反應(yīng)提供。

　　熱核材料：核聚變反應(yīng)一般只能在輕元素的原子核之間發(fā)生，如氫的同位素：氘和氚，它們原子核間的靜電斥力最小，在相對較低的溫度（近千萬攝氏度）即可激發(fā)明顯的聚變反應(yīng)生成氦，而且反應(yīng)釋放出的能量大，一千克聚變反應(yīng)裝藥放出的能量約為核裂變的七倍。但在熱核武器中不是使用在常溫下呈氣態(tài)的氘和氚。氘采用常溫下是固態(tài)化合物的氘化鋰，而氚則由核武器進(jìn)行聚變反應(yīng)過程中由中子轟擊鋰的同位素而產(chǎn)生。1942年，美國科學(xué)家在研制原子彈過程中，推斷原子彈爆炸提供的能量有可能點(diǎn)燃?xì)浜艘鹁圩?，并以此制造威力比原子彈更大的超級彈?952年1月，美國進(jìn)行了世界上首次代號“邁克”的氫彈原理試驗(yàn)，爆炸威力超過1000萬噸當(dāng)量，但該裝置以液態(tài)氘作熱核材料連同貯存容器和冷卻系統(tǒng)重約65噸，不能作為武器使用，直到固態(tài)氘化鋰作為熱核裝料的試驗(yàn)成功，氫彈的實(shí)際應(yīng)用才成為可能。中國于1966年12月28日成功進(jìn)行了氫彈原理試驗(yàn)，1969年6月17日由飛機(jī)空投的300萬噸級氫彈試驗(yàn)圓滿成功。

　　工作原理

　　核聚變反應(yīng)堆的燃料來源十分充足，輻射泄漏處于正常范圍之內(nèi)，與目前的核裂變反應(yīng)堆相比，其放射性廢物更少。下面讓我們來了解這種前景廣闊的能源。

　　與其他能源相比，核聚變反應(yīng)堆有幾項(xiàng)顯著的優(yōu)點(diǎn)，因而一直備受媒體關(guān)注。它們的燃料來源十分充足，輻射泄漏處于正常范圍之內(nèi)，與目前的核裂變反應(yīng)堆相比，其放射性廢物更少。

　　迄今為止，還沒有人將這一技術(shù)應(yīng)用到實(shí)踐中，但建造這種反應(yīng)堆實(shí)際上已為期不遠(yuǎn)。目前，核聚變反應(yīng)堆正處于試驗(yàn)階段，美國以及世界其他地區(qū)的多個實(shí)驗(yàn)室都開展了這項(xiàng)研究。

　　美國、俄羅斯、歐洲和日本經(jīng)過協(xié)商，建議在法國卡達(dá)拉什建立一座名為國際熱核試驗(yàn)堆(ITER)的核聚變反應(yīng)堆，旨在研究通過持續(xù)核聚變反應(yīng)來發(fā)電的可行性。在本文中，我們將介紹關(guān)于核聚變的知識，并了解ITER反應(yīng)堆的工作方式。

幾個概念

　　同位素

　　同位素是指質(zhì)子數(shù)和電子數(shù)相同，但中子數(shù)不同的同一類元素的原子。下面是核聚變中一些常見的同位素：

　　氕是帶一個質(zhì)子而沒有中子的氫同位素。它是氫的最常見的一種形式，也是宇宙中最普遍的元素。氘是帶一個質(zhì)子和一個中子的氫同位素。它不具有放射性，可從海水中提取。氚是帶一個質(zhì)子和兩個中子的氫同位素。氚具有放射性，半衰期約為10年。氚不會自然形成，但用中子轟擊鋰可產(chǎn)生氚。氦3是帶有兩個質(zhì)子和一個中子的氫同位素。氦4是氦在自然界中最為普遍的一種形式，它帶有兩個質(zhì)子和兩個中子。

　　目前的核反應(yīng)堆利用核裂變來產(chǎn)生能量。在核裂變中，能量是通過一個原子分裂為兩個原子來釋放的。在傳統(tǒng)的核反應(yīng)堆中，鈾的重原子在高能中子的轟擊下發(fā)生裂變，這會生成巨大的能量，同時(shí)產(chǎn)生長期的輻射和放射性廢物（詳見核能工作原理）。

　　核聚變的能量是通過兩個原子合并為一個原子而產(chǎn)生的。在核聚變反應(yīng)堆中，氫原子發(fā)生聚變，進(jìn)而形成氦原子、中子，并釋放巨大的能量。氫彈和太陽的能量就是靠這種反應(yīng)提供的。與核裂變相比，核聚變所產(chǎn)生的能量更加清潔、安全、高效，其能量來源也更為豐富。

　　核聚變反應(yīng)分為多種類型。其中大多數(shù)都涉及氫的同位素氘和氚：

　　質(zhì)子

　　質(zhì)子鏈--這一序列是太陽等恒星中最主要的核聚變反應(yīng)模式。

　　兩個中子形成兩個氘原子。

　　每個氘原子與一個質(zhì)子結(jié)合，生成一個氦3原子。

　　兩個氦3原子結(jié)合，生成不穩(wěn)定的鈹6。

　　鈹6衰變?yōu)閮蓚€氦4原子。

　　這些反應(yīng)會生成高能粒子（質(zhì)子、電子、中子、正電子），并放出輻射（光線、伽馬射線）。

　　氘-氘反應(yīng)--兩個氘原子結(jié)合，生成一個氦3原子和一個中子。

　　氘-氚反應(yīng)--一個氘原子和一個氚原子結(jié)合，生成一個氦4原子和一個中子。其中大部分能量以高能中子的形式的釋放。

　　從概念上講，利用反應(yīng)堆中的核聚變十分容易。但為了讓這一反應(yīng)以可控、無害的方式進(jìn)行，科學(xué)家們歷經(jīng)周折。為了了解其中的緣由，我們需要先看一下發(fā)生核聚變的必要條件。

　　當(dāng)氫原子聚合時(shí)，它們的原子核必須結(jié)合在一起。然而，由于每個原子核中的質(zhì)子都帶有相同的電荷（正電），因而會互相排斥。如果你曾試著將兩塊磁鐵放在一起并感到它們互相推開，則意味著你已親身體驗(yàn)了這一原理。

　　若要實(shí)現(xiàn)核聚變，你需要創(chuàng)造一些特殊的條件來克服這種排斥力。下面是發(fā)生核聚變的一些必要條件：

　　高溫--高溫可為氫原子提供足夠的能量，以克服質(zhì)子之間的電荷排斥。

　　核聚變需要的溫度約為1億開（約是太陽核心溫度的六倍）。

　　在這樣的高溫下，氫的狀態(tài)為等離子體，而不是氣體。等離子體是物質(zhì)的一種高能狀態(tài)，其中所有電子都從原子中剝離出來，并可以自由移動。

　　太陽的高溫是由重力壓縮核心的巨大質(zhì)量而產(chǎn)生的。我們要制造出這樣的高溫，就必須利用微波、激光和離子粒子的能量。

　　高壓--壓力可將氫原子擠在一起。氫原子之間的距離必須在1x10-15米以內(nèi)，才能進(jìn)行聚合。

　　太陽利用其質(zhì)量和重力將核心內(nèi)的氫原子擠壓在一起。

　　我們要將氫原子擠壓在一起，必須使用強(qiáng)大的磁場、激光或離子束。

　　借助目前的技術(shù)，我們只能實(shí)現(xiàn)發(fā)生氘-氚聚變所需的溫度和壓力。氘-氘聚變需要的溫度更高，這種溫度有可能在將來實(shí)現(xiàn)?；旧?，利用氘氘聚變會更加方便，因?yàn)閺暮Ｋ刑崛‰葟匿囍刑崛‰耙尤菀?。另外，氘不具有放射性，而且氘氘反?yīng)可釋放更多的能量。

　　有兩種方法可實(shí)現(xiàn)發(fā)生氫聚變所需的溫度和壓力：磁約束使用磁場和電場來加熱并擠壓氫等離子體。法國的ITER項(xiàng)目使用的就是這種方法。
　　慣性約束使用激光束或離子束來擠壓并加熱氫等離子體。在美國勞倫斯利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室的國家點(diǎn)火設(shè)施中，科學(xué)家們正在對這種試驗(yàn)方法展開研究。

　　反應(yīng)堆

　　ITERTokamak反應(yīng)堆

　　我們首先探討磁約束。下面是它的工作原理：

　　加速器釋放出微波、帶電粒子束和中性粒子束，用于加熱氫氣的氣流。在高溫下，氫氣從氣態(tài)變?yōu)榈入x子聚變反應(yīng)體。這種等離子體受到超導(dǎo)磁體的擠壓，進(jìn)而發(fā)生聚變。在用磁場約束等離子體時(shí)，最有效的磁體形狀是面包圈形（即環(huán)形）。

　　采用這種形狀的反應(yīng)堆稱為Tokamak。ITERTokamak將是一個獨(dú)立式反應(yīng)堆，其部件都裝在不同的盒子中。進(jìn)行維護(hù)時(shí)，工作人員可以方便地插入和拔出這些盒子，而不必拆開整個反應(yīng)堆。該Tokamak的等離子體環(huán)形室將采用2米的內(nèi)半徑和6.2米的外半徑。

　　下面我們來詳細(xì)考察ITER核聚變反應(yīng)堆，看看磁約束是如何起作用的。

　　組件

　　ITERTokamak反應(yīng)堆的主要組件包括：

　　真空室--用于盛放等離子體，并將反應(yīng)室置于真空中
　　中性束注入器（離子回旋系統(tǒng)）--將加速器釋放的粒子束注入等離子體中，以便將等離子體加熱到臨界溫度
　　磁場線圈（極向環(huán)形）--用磁場來約束、定型和抑制等離子體的超導(dǎo)磁體
　　變壓器/中央螺線管--為磁場線圈供電
　　冷卻設(shè)備（冷凍機(jī)、低溫泵）--用于冷卻磁體
　　包層模塊--由鋰制成，用于吸收核聚變反應(yīng)中的熱量和高能中子
　　收集器--排出核聚變反應(yīng)中的氦產(chǎn)品
　　作用機(jī)制
　　下面是磁約束核聚變過程的作用機(jī)制：
　　核聚變反應(yīng)堆加熱氘和氚燃料的氣流，使之形成高溫的等離子體。接下來，反應(yīng)堆對等離子體施加壓力，繼而發(fā)生聚變。
　　啟動核聚變反應(yīng)所需的電能約為70兆瓦特，但該反應(yīng)生成的電能約為500兆瓦特。
　　核聚變反應(yīng)將持續(xù)300到500秒（最終將形成持續(xù)的核聚變反應(yīng)）。
　　等離子體反應(yīng)室外部的鋰包層將吸收核聚變反應(yīng)中釋放的高能中子，從而產(chǎn)生更多的氚燃料。在高能中子的作用下，這些包層也會被加熱。
　　水冷回路將熱量轉(zhuǎn)移至熱交換器，最終形成蒸氣。
　　蒸氣將被重新壓縮成水，以便讓熱交換器吸收反應(yīng)堆中的更多熱量。
　　起初，ITERTokamak將測試建造持續(xù)核聚變反應(yīng)堆的可行性，最終將變?yōu)橐蛔鶞y試核聚變發(fā)電廠。

　　在勞倫斯利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室的國家點(diǎn)火設(shè)施(NIF)中，科學(xué)家們正在試驗(yàn)用激光束來誘發(fā)聚變。在NIF設(shè)備中，192條激光束將聚焦于一個直徑為10米的靶室上的一點(diǎn)，這個靶室稱為黑體輻射空腔。根據(jù)科學(xué)和工程百科全書，黑體輻射空腔是指“腔壁與腔內(nèi)的輻射能量達(dá)到平衡的腔”。

　　在靶室內(nèi)部的焦點(diǎn)上，將有一個豌豆大小的氘-氚粒狀物，其外側(cè)包有一個小型塑料圓筒。激光的能量（180萬焦）將加熱圓筒，并生成X射線。在高溫和輻射的作用下，粒狀物將轉(zhuǎn)化為等離子體，且壓力不斷升高，直至發(fā)生聚變。核聚變反應(yīng)壽命很短，大約只有百萬分之一秒，但它釋放的能量是引發(fā)核聚變所需能量的50到100倍。在這種類型的反應(yīng)堆中，需要相繼點(diǎn)燃多個目標(biāo)，才能產(chǎn)生持續(xù)的熱量。據(jù)科學(xué)家估計(jì)，每個目標(biāo)的成本可控制在0.25美元左右，從而大大降低了核電廠的成本與磁約束核聚變反應(yīng)堆類似，慣性約束核聚變中的能量也將被轉(zhuǎn)移至熱交換器生成蒸氣，進(jìn)而通過蒸氣來發(fā)電。

　　目前，NASA正在研制一種小型的核聚變反應(yīng)堆，用于為深空火箭提供動力。核聚變推進(jìn)器具有無限的燃料供應(yīng)（氫），其效率更高，可令火箭飛得更快。