能源核聚變

核聚變就是利用氫、氦等較輕的原子核聚變成較重的原子核，同時釋放出大量能量。聚變反應(yīng)放出的能量稱為聚變能。氫彈爆炸就是聚變反應(yīng)。

那么如何使它們發(fā)生核聚變呢？要想使兩個較輕原子核發(fā)生聚變，就必需使這兩個核距離非常近，相互距離要小于1000萬億分之三米才行。只有在這個距離內(nèi)，兩個核內(nèi)的核力才能相互作用而產(chǎn)生聚變反應(yīng)。但是，在地球上天然存在的物質(zhì)中，原子核都是帶正電的。要使兩個帶正電的原子核互相靠近，就必需克服它們之間的靜電排斥力；而且這種斥力的大小與兩個核之間的距離的平方成反比，隨著距離的減小斥力就會增加。所以只有使兩個核獲得足夠的動力，然后快速撞上去，才能克服靜電斥力從而發(fā)生聚變。因此，最常用的方法就是將聚變材料，加熱到幾千萬至幾億攝氏度的高溫，來使它們的原子核獲得足夠動能，為核聚變的發(fā)生創(chuàng)下條件。所以通常把這種核聚變反應(yīng)又稱為熱核聚變。

現(xiàn)在世界各國都非常重視可控制熱核反應(yīng)的研究，因?yàn)楹司圩兡茉淳哂衅渌茉?，包括核裂變能源無法相比的一系列優(yōu)點(diǎn)。

釋放能量大。1千克鈾²³⁵裂變所釋放的能量是燃燒1千克煤釋放的能量的270萬倍；而1千克氘、氚混合物聚變所釋放的能量比1千克鈾235的裂變所釋放的能量還要多4.14倍。

原料儲量豐富。聚變材料氘蘊(yùn)藏在自然界的水中。1千克海水中能提煉出0.03克的氘。但這一點(diǎn)點(diǎn)氘，通過聚變反應(yīng)就能釋放出相當(dāng)于300升汽油的能量。而全球的海水中共含有40萬億噸氘，可以滿足人類幾十億年的需要。氘、氚核聚變所用的氘，由于具有衰變性，在自然界中幾乎不存在，但可以通過使鋰吸收中子的方法得到。地球上的鋰，足夠使熱核技術(shù)發(fā)展到完全以氘、氘核聚變代替氘、氚核聚變的時代。

開采成本低廉。目前制取1千克裂變材料濃縮鈾的費(fèi)用約為1.2萬美元，而制取1千克聚變材料氘只需300美元。從而大大降低了成本。

使用安全可靠。氘、氚核聚變反應(yīng)的生成物是穩(wěn)定的氦核，既沒有放射性，也不污染環(huán)境。熱核反應(yīng)堆萬一發(fā)生故障，只要向它停止供應(yīng)聚變材料，反應(yīng)就會因變冷而停止，不會產(chǎn)生爆炸等一些嚴(yán)重的事故。

可以發(fā)生聚變反應(yīng)的輕核有很多種，但首選的聚變材料是氫以及它的同位素氘和氚。氫的原子核只有一個質(zhì)子；氘和氚的原子核中，除各有一個質(zhì)子以外，氘核中還有一個中子，氚核中則有兩個中子。質(zhì)子帶正電，中子不帶電，原子核帶正電，就是因?yàn)槠渲械馁|(zhì)子帶正電。氫、氘、氚的核中各只有一個質(zhì)子，它們在所有物質(zhì)的原子核中帶正電量最少。因經(jīng)它們的核之間靜電斥力最小，也就是說它們最容易發(fā)生聚變。不但容易發(fā)生聚變，而且釋放出的聚變能也比其他類的聚變反應(yīng)多。在氫類的核聚變中，又以氘核和氚核的聚變反應(yīng)最好。氫彈用的聚變材料主要是氘和氚，這是它之所以稱為“氫”彈的原因。氫彈中裝了一個小型的原子彈作為引爆裝置。原子彈爆炸產(chǎn)生極高的溫度和壓力，使氫彈在一瞬間發(fā)生熱核反應(yīng)而爆炸。這種一瞬間發(fā)生的大規(guī)模熱核聚變反應(yīng)，不受人工控制，巨大的聚變能一下子被釋放干凈，無法按照人們的意志來有效地加以利用。

能不能像控制裂變反應(yīng)那樣，造出熱核反應(yīng)堆來控制熱核反應(yīng)呢？對于科學(xué)家來說，這還是一件非常困難的事。

當(dāng)然，就像上面所說的，首先要將聚變材料（氘和氚）加熱到1億攝氏度的高溫。在這樣的高溫下，原子核外的電子已經(jīng)與核完全脫離，使聚變材料完全變成由自由的帶電粒子——原子核和脫離了原子核的電子組成的氣體，稱為等離子體。

另外，雖然在億度高溫的等離子體中原子核已具有了足夠的動能，但仍不能保證它們能互相碰撞。為了加大它們碰撞的機(jī)會，要對等離子體進(jìn)行控制，即要把它“壓縮”到一個很小的空間內(nèi)，使粒子的密度大大增加。一般這個密度要達(dá)到每立方米中的粒子數(shù)大于1萬億億個。

熱核反應(yīng)堆如果能使材料達(dá)到1億攝氏度的高溫并將粒子密度壓縮到每立方米1萬億億個，且能使這種狀態(tài)維持到1秒鐘以上，熱核反應(yīng)就能發(fā)生并可持續(xù)地進(jìn)行下去。以后的高溫，就可以靠已經(jīng)發(fā)生的聚變所產(chǎn)生的能量中的一部分來維持了。

但是，溫度如此高的等離子體無法用任何容器來容納。于是科學(xué)家想出用封閉磁場組成的“容器”來約束。這個“容器”又叫磁籠，它看不見，摸不著，不怕高溫。這種約束等離子體的方法叫磁約束。

前蘇聯(lián)科學(xué)家設(shè)計(jì)的熱核反應(yīng)裝置——托卡馬克采用的就是磁約束裝置。在這種裝置中，聚變反應(yīng)是在環(huán)狀圓管內(nèi)進(jìn)行的。管上繞的通電超導(dǎo)線圈產(chǎn)生強(qiáng)磁場，使等離子體在管的中心線上做圓周運(yùn)動，不和管壁接觸。首先用電磁感應(yīng)產(chǎn)生的大電流的歐姆熱將等離子體加熱到1000萬攝氏度，再用注入高能中性粒子束等方法使等離子體達(dá)到億度高溫。

除前蘇聯(lián)外，美國、西歐、日本等都建有托卡馬克裝置，其中在20世紀(jì)80年代建成了世界著名的“四大托卡馬克系統(tǒng)”，即美國普林斯頓大學(xué)的托卡馬克聚變實(shí)驗(yàn)堆、建在英國的歐洲聯(lián)合核聚變實(shí)驗(yàn)室的托卡馬裝置、建在日本茨城縣那珂町的日本原子力研究所的JT60和建在莫斯科的俄羅斯的T15。1991年11月9日，歐洲聯(lián)合核聚變實(shí)驗(yàn)室首次成功地完成了受控核聚變反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，聚變的時間持續(xù)了2秒鐘，溫度高達(dá)3億℃，且有1700千瓦的能量輸出。當(dāng)然，實(shí)驗(yàn)與實(shí)用之間還存在著相當(dāng)大的距離。

除了磁約束方法外，近年來科學(xué)家們又進(jìn)行利用強(qiáng)大的激光或核粒子束對氘和氚的固體球誘發(fā)核聚變的研究，并已初見成效，這種方法稱為慣性約束法。

現(xiàn)在世界上已有數(shù)百座熱核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置。我國也有了近10個小型托卡馬克裝置，其中最大的是1989年9月建成的“中國環(huán)流1號”。它的建成使我國又獲得了一個研究熱核聚變的有力工具。

目前，美、英、俄、日等14國正在聯(lián)合建造一座“國際熱核反應(yīng)堆”，估計(jì)在2005年投入使用。這個托卡馬克型的反應(yīng)堆有10層樓那么高，裝有能量轉(zhuǎn)換和傳導(dǎo)設(shè)備，可以直接用于發(fā)電試驗(yàn)。然而，即使發(fā)電試驗(yàn)成功，人類要用上利用聚變能發(fā)出的電，估計(jì)也要在2020年以后才能實(shí)現(xiàn)。