聚變

簡介

　　核聚變反應主要借助氫同位素。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是要實現(xiàn)受控核聚變。裂變時靠原子核分裂而釋出能量。聚變時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

　　核聚變較之核裂變有兩個重大優(yōu)點。

　　一是地球上蘊藏的核聚變能遠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于300升汽油燃燒后釋放出的能量。地球上蘊藏的核聚變能約為蘊藏的可進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)點是既干凈又安全。因為它不會產(chǎn)生污染環(huán)境的放射性物質(zhì)，所以是干凈的。同時受控核聚變反應可在稀薄的氣體中持續(xù)地穩(wěn)定進行，所以是安全的。

實現(xiàn)方法

　　目前實現(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。它是利用通過強大電流所產(chǎn)生的強大磁場，把等離子體約束在很小范圍內(nèi)以實現(xiàn)上述三個條件。雖然在實驗室條件下已接近于成功，但要達到工業(yè)應用還差得遠。按照目前技術水平，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），就像噴氣飛機氣體往后噴而推動飛機前飛一樣，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。當溫度達到所需要的點火溫度（大概需要幾十億度）時，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)不斷地進行下去，所釋放出的能量就相當于百萬千瓦級的發(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，加上其他種種技術上的問題，使慣性約束核聚變?nèi)允强赏豢杉暗摹?/p>

　　盡管實現(xiàn)受控熱核聚變?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，正吸引著各國科學家在奮力攀登。

原理

　　核聚變的原理是：在標準的地面溫度下，物質(zhì)的原子核彼此靠近的程度只能達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。要使參加聚變反應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。提高反應物質(zhì)的溫度，就可增大原子核動能。因此，聚變反應對溫度極其敏感，在常溫下其反應速度極小，只有在1400萬到1億度的絕對溫度條件下，反應速度才能大到足以實現(xiàn)自持聚變反應。所以這種將物質(zhì)加熱至特高溫所發(fā)生的聚變反應叫作熱核反應，由此做成的聚變武器也叫熱核武器。要得到如此高溫高壓，只能由裂變反應提供。

　　熱核材料：核聚變反應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)明顯的聚變反應生成氦，而且反應釋放出的能量大，一千克聚變反應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，而氚則由核武器進行聚變反應過程中由中子轟擊鋰的同位素而產(chǎn)生。1942年，美國科學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燃氫核引起聚變，并以此制造威力比原子彈更大的超級彈。1952年1月，美國進行了世界上首次代號“邁克”的氫彈原理試驗，爆炸威力超過1000萬噸當量，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成功，氫彈的實際應用才成為可能。中國于1966年12月28日成功進行了氫彈原理試驗，1969年6月17日由飛機空投的300萬噸級氫彈試驗圓滿成功。

　　工作原理

　　核聚變反應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，核聚變反應堆有幾項顯著的優(yōu)點，因而一直備受媒體關注。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堆相比，其放射性廢物更少。

　　迄今為止，還沒有人將這一技術應用到實踐中，但建造這種反應堆實際上已為期不遠。目前，核聚變反應堆正處于試驗階段，美國以及世界其他地區(qū)的多個實驗室都開展了這項研究。

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

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。在核聚變反應堆中，氫原子發(fā)生聚變，進而形成氦原子、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--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--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，利用反應堆中的核聚變十分容易。但為了讓這一反應以可控、無害的方式進行，科學家們歷經(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。

　　當氫原子聚合時，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了這一原理。

　　若要實現(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，必須使用強大的磁場、激光或離子束。

　　借助目前的技術，我們只能實現(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現(xiàn)?；旧希秒圩儠臃奖?，因為從海水中提取氘比從鋰中提取氚要更加容易。另外，氘不具有放射性，而且氘氘反應可釋放更多的能量。

　　有兩種方法可實現(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驗室的國家點火設施中，科學家們正在對這種試驗方法展開研究。

　　反應堆

　　ITERTokamak反應堆

　　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子聚變反應體。這種等離子體受到超導磁體的擠壓，進而發(fā)生聚變。在用磁場約束等離子體時，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堆稱為Tokamak。ITERTokamak將是一個獨立式反應堆，其部件都裝在不同的盒子中。進行維護時，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。

　　下面我們來詳細考察ITER核聚變反應堆，看看磁約束是如何起作用的。

　　組件

　　ITERTokamak反應堆的主要組件包括：

　　真空室--用于盛放等離子體，并將反應室置于真空中
　　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磁體
　　變壓器/中央螺線管--為磁場線圈供電
　　冷卻設備（冷凍機、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中的熱量和高能中子
　　收集器--排出核聚變反應中的氦產(chǎn)品
　　作用機制
　　下面是磁約束核聚變過程的作用機制：
　　核聚變反應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，反應堆對等離子體施加壓力，繼而發(fā)生聚變。
　　啟動核聚變反應所需的電能約為70兆瓦特，但該反應生成的電能約為500兆瓦特。
　　核聚變反應將持續(xù)300到500秒（最終將形成持續(xù)的核聚變反應）。
　　等離子體反應室外部的鋰包層將吸收核聚變反應中釋放的高能中子，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堆中的更多熱量。
　　起初，ITERTokamak將測試建造持續(xù)核聚變反應堆的可行性，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驗室的國家點火設施(NIF)中，科學家們正在試驗用激光束來誘發(fā)聚變。在NIF設備中，192條激光束將聚焦于一個直徑為10米的靶室上的一點，這個靶室稱為黑體輻射空腔。根據(jù)科學和工程百科全書，黑體輻射空腔是指“腔壁與腔內(nèi)的輻射能量達到平衡的腔”。

　　在靶室內(nèi)部的焦點上，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。在這種類型的反應堆中，需要相繼點燃多個目標，才能產(chǎn)生持續(xù)的熱量。據(jù)科學家估計，每個目標的成本可控制在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堆，用于為深空火箭提供動力。核聚變推進器具有無限的燃料供應（氫），其效率更高，可令火箭飛得更快。