可控核聚变原理

２０１７年第１７期　

可控核聚变技术的发展现状及趋势　

周宇辰　

浙江省金华市外国语学校，浙江金华３２１　０００　

摘　要　目前，世界上核电站均采用核裂变反应，其原料铀储量有限，反应中产生强烈辐射，核废料也难以处理。　相比之下，核聚变的辐射危害小得多，核聚变反应的原料氘氚储量也近乎无穷无尽　本丈介绍了核电站的运行流程　

和能量转换过程，阐释了聚变反应的物理原理和约束形式　然后介绍了以ＩＴＥＲ和ＥＡＳＴ为代表的核聚变装置研究进　

展，着重介绍了我国核聚变研究；最后，对可控核聚变的发展前景进行了展望　

关键词核电；反应堆；可控核聚变；托克马克　

中图分类号ＴＬ６２　文献标识码Ａ　文章编号２０９５—６　３６　３（２０１　７）１　７—００５９—０２　

进入２１世纪，世界化石能源（煤，石油，天然气等）　

供应趋紧，我国能源结构紧张态势日益加重。为减轻污　

染和减排温室气体，我国投入巨大的人力和物力开发新　

能源（风能、水能、太阳能等），以降低化石能源在我　

国能源结构中所占的比重，提高新能源所占的比重。但　

是，发展上述新能源也存在一定的问题，如风能、太阳　

能发电能力的不稳定性，水能的资源有限和地域局限性　

等…。由此观之，为应对全球能源危机，缓解国内化石　

燃料需求压力，发展核能意义重大　。　

目前，世界上核电站全部是利用核裂变反应获取　

电能，裂变反应的原料铀储量有限，反应中产生强烈辐　

射，所产生的核废料也难以处理。相比之下，核聚变的　

辐射危害小得多，核聚变反应的原料氘氚储量也近乎无　

穷无尽。所以可控核聚变技术具有很好的发展前景　。　

１核电站的运行流程　

根据反应类型，核能分为裂变能（裂变反应）和　

聚变能（聚变反应）。核电站是将核能转变为电能的复　

杂系统。从能量角度讲，核电站中的能量转换为：核能　

一水蒸气的热能一汽轮机的机械能一电能。　

核电站中主要利用３个回路来完成“核能一水蒸　

气的热能一汽轮机的机械能一电能”的转换。如图１给　出了压水堆的工作流程。一回路利用冷却剂将反应堆产　

核聚变反应堆的原理很简单，只不过对于人类当前的技术水准，实现起来具有相当大的难度。

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。

１９４　能源研究与信息　２０１６年第３２卷　

摩洛哥ＮＯＯＲＩＩＩ塔式电站定日镜面积达１７８　ｍ２创下记录　

北极星太阳能光伏网１１月２１日报道，在建中的摩洛哥ＮＯＯＲＩＩＩ塔式光热电站在定日镜的商业化应　用方面将创下记录，其采用的单台定日镜面积达１７８　ｍ２，是Ｓｅｎｅｒ设计的最新一款定日镜，也是目前已商业　

化应用的定日镜的最大尺寸．该电站总计将安装７　４００台定日镜，总采光面积约１　３１７　２００　ｍｓ．　

在已建成的塔式电站中采用最大的定日镜面积的为南非Ｋｈｉ　ｓｏｌａｒ　ｏｎｅ水工质塔式电站，其采用的是　

１４０　ｍｓ的定日镜．该电站于２０１６年２月已并网投运．另外两个已投运的代表性熔盐塔电站新月沙丘电站　采用的定日镜面积为１１５　ｍ２，Ｇｅｍａｓｏｌａｒ电站为１２０　ｍ２．国内的首航节能１０　ＭＷ熔盐塔电站的定日镜面　

积为１１５　ｍｓ．而Ｂｒｉｇｈｔｓｏｕｒｃｅ和中控太阳能采用的均为小型的２０　ｍ２定日镜．　

俄罗斯推出新型可控核聚变反应堆　

１１月１４日，俄罗斯圣彼得堡理工大学新闻报称，该大学的物理学家提出的一种方法可提升托卡马克　

装置（一种核聚变反应堆）的性能．圣彼得堡的科学家已经对“不粘模式”进行了评估，认为这种方法可能会　提高反应堆耐磨损和耐撕裂的能力．　

由于现代材料还不能承受核反应所需的温度，托卡马克装置中的等离子体不由室壁约束，而是由电磁　

场约束．当托卡马克装置运行时，释放的能量仍然会传递到反应器的内壁上，导致内壁材料劣化．为了解决　

这一问题，圣彼得堡理工大学的研究人员提出了所谓的“不粘模式”，其中特殊的混合物经由转向器注入反　应器中．这些混合物可以控制等离子体的行为，并且隔离了能量流与室壁的接触．　

圣彼得堡理工大学的研究人员已经证明了“不粘模式”的有效性．现代托卡马克装置和国际热核实验　

反应堆托卡马克装置将实施该方法，后者将于２０２５年在法国南部建设完成．　

（王　波）

一种可控核聚变

利弗莫尔市研究人员启动了一项可以实现点火的紧急计划——即生

成一个可自我维持的核聚变反应堆，并制造出点火时所需的庞大能

量。

在每次激光射击中，八组光线在四组放大镜之间来回反弹并使能量增

加至2万倍。精心设计的放大镜阵列将使176束光线围绕球形反应

室的各个方向；然后最后一组光学镜片将会把红外光变成紫外线

（UV），并把它们集中到反应堆中心针尖大小的一个点上。

1053nm飞秒激光

飞秒激光（Intralase）是一种近红外光，它的波长是1053nm，由于

它神奇的特性，又被叫做‘神奇之光’。它是人类目前在实验条件下

能够获得的最短脉冲，它的精确性是±5微米；它还具有非常高的瞬

间功率，它的瞬间功率可达百万亿瓦，比目前全世界的发电总功率还

要多出上百倍；飞秒激光还具有精确的靶向聚焦定位特点，能够聚焦

到比头发丝的直径还要小的多的超细微空间区域；物质在飞秒激光的

作用下会产生非常奇特的现象，气态的物质、液态的物质、固态的物

质瞬间都会变成等离子体；用飞秒激光进行手术，没有热效应和冲击

波，在整个过程中都不会有组织损伤。

IFE任何项目的关键元素都是燃料胶囊——一种大小与干胡椒相仿

的用来盛放冷冻氘和氚（氢的同位素，是核聚变的燃料）的塑料球体。

这种被放在反应室中央的塑料胶囊被来自激光脉冲的极高温气化后，

会产生一种向内破裂的力量，把燃料挤压到铅密度的100倍，并将其加热到1亿开尔文摄氏度，这一温度足以为核聚变点火。

点火途径

无论人类利用这其中哪一种能源，归根结底都是在利用太阳能，而太阳的能量则是来源于核聚变，因此，人类如果掌握了有序地释放核聚

变的能量的办法，就等于掌握了太阳把一个氘原子核用加速器加速后和一个氚原子核以极高的速度

碰撞，两个原子核发生了融合，形成一个新的原子核——氦外加一个

自由中子，在这个过程中释放出了17.6兆电子伏的能量。这就是太

阳持续45亿年发光发热的原理。

第一步，作为反应体的混合气必须被加热到等离子态

这个时候，需要大约10万摄氏度的温度