为什么说核聚变是终极能源

为什么说核聚变是终极能源？

随着社会的进步，人类对能源的需求越来越大，传统的化石能源已经接近枯竭。可控核聚变是解决能源危机的最终手段。一升海水中的氘元素蕴含的能量相当于300升汽油。

01磁场约束核聚变——托克马克装置

托卡马克，是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。它的名字Tokamak 来源于环形、真空室、磁、线圈。最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。

相比其他方式的受控核聚变，托卡马克拥有不少优势。1968年8月在苏联新西伯利亚召开的第三届等离子体物理和受控核聚变研究国际会议上，阿齐莫维齐宣布在苏联的T-3托卡马克上实现了电子温度 1 keV，质子温度 0.5 keV，n τ=10的18次方m-3.s，这是受控核聚变研究的重大突破，在国际上掀起了一股托卡马克的热潮，各国相继建造或改建了一批大型托卡马克装置。其中比较著名的有：美国普林斯顿大学由仿星器-C改建成的 ST Tokamak，美国橡树岭国家实验室的奥尔马克，法国冯克奈-奥-罗兹研究所的 TFR Tokamak，英国卡拉姆实验室的克利奥（Cleo），西德马克斯-普朗克研究所的 Pulsator Tokamak。

2006年9月28日，中国耗时8年、耗资2亿元人民币自主设计、自主建造而成的新一代热核聚变装置EAST首次成功完成放电实验，获得电流200千安、时间接近3秒的高温等离子体放电。EAST成为世界上第一个建成并真正运行的全超导非圆截面核聚变实验装置。

早在1933年，即发现核裂变现象五年前，人类就发现了核聚变。虽然核裂变比核聚变发现得晚，但是很快就实现了核裂变爆炸。随着受控核裂变发电获得成功，世界范围内大规模核电站建设迅速展开，并投入商业运行。

在核聚变实现后，同样，人们也试图能和平利用受控核聚变，如建立受控核聚变发电厂。与利用核裂变发电相比，利用受控核聚变的能量来发电具有许多优点：一是理论和实践都证明，核聚变比核裂变释放出的能量要大得多；二是资源

蕴藏丰富，作为重核裂变主要原料的燃料铀，目前探明的储量仅够使用约一百年，而轻核聚变用的燃料氘在海水中储藏丰富，1升海水可提取30毫克氘，通过聚变反应能释放出相当于300公升汽油的能量。可谓取之不尽，用之不竭；三是成本低，1公斤浓缩铀的成本约为1.2万美元，而1公斤氘仅需300美元；四是安全可靠，万一发生事故，反应堆会自动冷却而停止反应，不会产生放射性污染物，不会发生爆炸事故。

但是，人类发现核裂变半个多世纪过去了，受控核聚变的研究进展缓慢，与受控核裂变的研究情况不同，受控核聚变至今还没有实现可利用的能量输出。国际热核聚变实验堆计划

“国际热核聚变实验堆（ITER）计划”是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，建造约需10年，耗资50亿美元（1998年值）。ITER 装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托克马克，俗称“人造太阳”。2003年1月，国务院批准我国参加ITER计划谈判，2006年5月，经国务院批准，中国ITER谈判联合小组代表我国政府与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国共同草签了ITER计划协定。2013年1月5日中科院合肥物质研究院宣布，“人造太阳”实验装置辅助加热工程的中性束注入系统在综合测试平台上成功实现100秒长脉冲氢中性束引出。

国际聚变界普遍认为，今后实现聚变能的应用将历经三个战略阶段，即：建设ITER装置，并在其上开展科学与工程研究(有50万千瓦核聚变功率，但不能发电，也不在包层中生产氚)；在ITER计划的基础上设计、建造与运行聚变能示范电站(近百万千瓦核聚变功率用以发电，包层中产生的氚与输入的氘供核聚变反应持续进行)；最后,将在本世纪中叶(如果不出现意外)建造商用聚变堆。我国将力争跟上这一进程，尽快建造商用聚变堆，使得核聚变能有可能在本世纪末在我国能源中占有一定的地位。

02惯性约束核聚变——激光打靶点火装置

“惯性约束核聚变”是利用物质惯性对燃料靶丸进行压缩、加热、点火并达到充分热核反应，从而获得能量增益的过程。

美国的国家点火设施

国家点火装置的靶室（192束激光聚焦在小小的氘-氚靶丸上）

为激光器的7680个闪光灯提供电能的超过160公里的高压电缆

1992年7月，克林顿总统宣布美国延期暂停核试验，同时责成能源部探索在不进行地下核试验的情况下确保美国核弹头先进、可靠和保密的其他途径。1994财政年度，国防管理法规要求能源部提交一项有关美国核武器核心知识和技术资料安全管理的计划。1994年11月，被称为“国家点火设施”的激光核聚

变计划正式签发，同时得到能源部“惯性约束

核聚变”顾问委员会的赞同，并于1996年的国

会预算中获得0.61亿美元的拨款。

国家点火设施采用192束351纳米波长的

激光，总能量为1.8兆焦。诺瓦聚变激光器的

诞生地——劳伦斯国家实验室被认为是国家点

火设施最合适的选址。当时计划1997年春开始

建造，并希望于2002年晚些时候建成使用，总

预算为10.74亿美元。

法国“太阳神”及未来计划

自1986年以来，一个被称为“太阳神”的

激光核聚变装置就在法国开始运转。太阳神由

美国劳伦斯国家实验室工程设计，该实验室和

法国里梅尔小组共同建造。因“师出同门”，

系统与诺瓦颇为相似，以钕玻璃激光器为基础，

3倍频后在351纳米处产生脉宽1纳秒的脉冲，

但脉冲能量只有8千焦。

1994年，法国原子能委员会和美国能源部签署了一项美法共享兆焦级激光研究成果的双边协议。1995年5月，法国政府宣布，它将在波尔多市附近建造一个自己的系统。该系统与美国的国家点火设施类似，采用波长351纳米的3倍频钕玻璃激光器，60组共240束（每组4束）激光，总脉冲能量为1.8兆焦。原计划也是1997年初开始建造，预计6～8年建成，耗资12亿美元。

中国惯性约束核聚变研究

惯性约束核聚变研究工作的三要素是，极高功率的激光系统，激光照射目标（靶）的物理特性及诊断设备。

我国于80年代较早时候研制成功国内当时功率最高的钕玻璃固体激光器，即被称为“神光Ⅰ号”的装置。1986年和1990年，在该装置上先后进行了直接驱动和间接驱动热核聚变实验，它标志着我国在该领域已进入世界先进行列。1993年，经国务院批准，惯性约束核聚变研究在国家863高技术计划中正式立项。从而推动了我国这一领域工作在上述三个方面更迅速地发展。首先表现在，由中国科学院和中国工程物理研究院联合研制的功率更高的神光Ⅱ号固体激光器问世，它在国际上首次采用多项先进技术，将成为我国第九个和第十个五年计划期间进行惯性约束核聚变研究的主要驱动装置。与此同时，曾为我国在这一领域的研究与发展立下汗马功劳的神光Ⅰ号于1994年光荣退役；另一方面，比神光Ⅱ号技术更先进、规模更大的新一代固体激光器的设计工作已经开始，有关的多项单元技术已取得显著进展，一些重要技术达到国际水平。此外，作为另一种可能的驱动源，氟化氪准分子激光器的研究也取得重大进展。

在靶物理研究方面，建立了很多理论模型，进行了大量数值模拟，在神光装置和星光装置上所进行的物理基础研究，对激光与靶耦合、辐射场与高温高压等离子体特性、内爆动力学和流体力学不稳定性、热核点火和增益燃烧等物理规律进行了系统研究，获得了对靶物理规律较系统和深入的认识。

诊断设备方面，在原有基础上积极研制、开发和引进一批高精度的仪器，对物理测量起到了十分重要的作用。

可以期望，我国激光领域的广大科技工作者将发扬艰苦奋斗的精神，最终实现惯性约束核聚变的点火燃烧，建成聚变核电站，为我国经济发展和人民生活提供最理想的能源。

日本的“新激光Ⅻ”和拍瓦项目

日本目前正在运转的有代表性的装置是大阪大学激光核聚变研究中心建造的“新激光Ⅻ”系统。

随着最近拍瓦（l拍瓦=10 15瓦）激光器的迅速发展，该中心正在研究一种“高速点火”方法，其目标是力争在21世纪初实现点火、燃烧和高增益化。

03“核聚变”可以一劳永逸解决人类能源问题

在最好的情况下，每升海水中的氘聚变能够放出的能量，相当于燃烧300升汽油。

同等质量的轻元素聚变产生的能量比重元素裂变放出的能量大得多，而产生的辐射也少得多。对环境保护的考虑也是人们努力发展核聚变技术的原因之一，虽然它还及不上对能源的需求。化石能源的逐渐耗竭已经是人所共知的事实，而风能、太阳能等可再生能源在目前来看，也无法完全满足人们对能源的渴求。核聚变发电，是能源的明日之星。

宇宙中最轻的元素是氢，它的原子核只有一个质子。它的两种同位素氘和氚，虽然也都只有一个质子，但是却分别拥有一个和两个中子。核聚变，主要依靠的就是这两种同位素。

在某些情况下，当两颗氘原子核结合时，将会变成一个氚原子核，放出一个质子和3.03兆电子伏特的能量；另一些情况下，将会变成有两个质子和一个中子的氦3原子核，放出一个中子和2.45兆电子伏特的能量。而氘原子核和氚原子核结合，将会产生一个氦4原子核，放出一个中子以及14.06兆电子伏特的能量，而氘原子核和氦3原子核结合，会成为一个氦4原子核，放出一个质子和14.67兆电子伏特的能量。我们现在谈到的核聚变，就是指这四种反应。

核聚变的原材料很容易找——地球上氘的含量并不算少，每一万个氢原子中就有一个是氘原子。在最好的情况下，每升海水中的氘聚变能够放出的能量，相当于燃烧300升汽油；而一个百万千瓦的核聚变电厂，每年只需要600公斤原料，但一个同样规模的火电厂，每年将需要210万吨燃料煤。

虽然氚在地球上并不存在，但是我们可以通过用中子轰击锂元素的方法来制造它。氦3是目前最理想的核聚变原料，虽然在地球上也找不到，但是在我们举目可及之处却大量存在——在月球、土星和火星上，氦3的含量足够人们随心所欲地挥霍数十万年。

现在的我们，就像是站在四十大盗藏宝洞之前的阿里巴巴，唯一所缺乏的，就是一句开门的咒语。幸好，我们已经快要猜到那句咒语，一段传奇，即将在眼前展开。

04结语

在最好的情况下，每升海水中的氘聚变能够放出的能量，相当于燃烧300升汽油。如果单纯根据地球上海洋中氘资源总量估计，核聚变能可供人类使用数亿年，甚至数十亿年。因此科学家可以夸下海口说“核聚变能够一劳永逸地解决整个人类能源问题”。不过，在人类实现可控核聚变方面还有一段路要走，科学家乐观估计大约50年。