核聚變發電

核聚變，又稱核融合、融合反應或聚變反應，是將兩個較輕的核結合而形成一個較重的核和一個很輕的核（或粒子）的一種核反應形式。兩個較輕的核在融合過程中產生質量虧損而釋放出巨大的能量，兩個輕核在發生聚變時因它們都帶正電荷而彼此排斥，然而兩個能量足夠高的核迎面相遇，它們就能相當緊密地聚集在一起，以致核力能夠克服庫侖斥力而發生核反應，這個反應叫做核聚變。

聚變是輕核（主要是氫的同位素氘和氚）聚合成較重的原子核，同時釋放出巨大能量的過程，太陽發光發熱和氫彈爆炸就是這樣的原理。聚變能的特點是：聚變反應釋放出大量的能量（一升海水中的氘通過聚變反應可釋放出相當於300升汽油燃燒的能量）；聚變資源豐富（地球上海水中所含的氘，如果用於氘氘聚變反應可供人類用上億年，而用於產生氚的鋰也有比較豐富的儲量）；聚變的反應產物是比較穩定的氦。由於其固有的安全性、環境的優越性、燃料資源的豐富性，聚變能被認為是人類最理想的潔凈能源之一。

早在上世紀五十年代初人類就實現了聚變核反應，這就是氫彈的爆炸。它是依靠原子彈爆炸時形成的高溫高壓，使得熱核燃料氘氚發生聚變反應，釋放巨大的能量，形成強大的破壞力。但是氫彈瞬間的猛烈爆炸是無法控制的。要把聚變時釋放出的巨大能量用於社會生產和人類生活，必須對劇烈的聚變核反應加以控制。因而實現受控熱核聚變一直是科學家們的夢想。

核聚變反應堆是一種滿足核聚變條件從而利用其能量的裝置。從目前看實現核聚變有2種方法，一種是使用托卡馬克裝置實現，托卡馬克是一環形裝置，通過約束電磁波驅動，創造氛、氖實現聚變的環境和超高溫，實現對聚變反應的控制；另一種方式是通過高能激光的方式實現。第一種方式已於20世紀90年代初實現，目前正在進行工程設計；第二種方式已接近突破的邊緣。由於核聚變是在極高的溫度下完成的，所以又常稱其為熱核反應。以下所討論的均以第一種方式為基礎進行。

實現受控熱核聚變反應應滿足兩個苛刻條件：

要使兩個原子核發生聚變反應，必須使它們彼此靠得足夠近，達到原子核內核子與核子之間核力的作用距離，此時核力才能將它們“粘合”成整體形成新的原子核。由於原子核都帶正電，當兩個原子核靠得越來越近時，它們之間的靜電斥力也越來越大。靜電斥力也稱靜電勢壘，它像一座高山一樣將兩個輕核隔開。據實驗資料估計，要使兩個氘核相遇，它們的相對速度必須大於每秒1000公里。此時單個氘核具有巨大的動能，對於一團氘核整體而言，則具有極高的溫度。兩個氘核產生聚變反應時，溫度必須高達一億度。氘核與氚核間發生聚變反應時，溫度也須達到五千萬度以上。這種在極高溫度下才能發生的聚變核反應也稱熱核反應。在如此高溫下，物質已全部電離，形成高溫等離子體。

充分的約束，指將高溫等離子體維持相對足夠長的時間，以便充分地發生聚變反應，釋放出足夠多的能量，使聚變反應釋放的能量大於產生和加熱等離子體本身所需的能量及其在此過程中損失的能量。這樣，利用聚變反應釋放出的能量就可以維持所需的極高溫度，無需再從外界吸收能量，聚變反應就能夠自持進行。表徵這個概念的科學術語叫做“聚變點火”。要實現聚變點火，必須達到一定的約束時間。約束時間跟密度相關，密度大，單位時間裡參加反應的原子核較多，釋放的能量也較多，必要的約束時間相應較短。反之，約束時間必須較長。英國科學家勞遜在五十年代詳細研究了實現聚變點火必須滿足的條件（點火條件也稱勞遜條件或勞遜判據），它是溫度T和約束時間τ跟密度n乘積的函數。從對高溫粒子的約束方式看目前有磁約束和慣性約束兩種。

（1）反應放能效率極高。（註：放能效率指單位質量的燃料所能產出的能量）

聚變反應將質量轉化為能量，根據愛因斯坦著名的質能方程E=mc2可知很小的質量轉化為巨大的能量，所以聚變反應的放能效率極高。

（2）不產生核裂變所出現的長期和高水平的核輻射，不產生核廢料；

反應物及產物的放射性

作為反應物的氘、鋰和作為反應產物的氦4He都是沒有放射性的。而反應物氚是有放射性的，但它的半衰期相對而言很短。

氚對人體的危害主要是吸入人體后的內輻照。氚的半衰期為12.3年的β-輻射，每公斤氚的放射性為9.7×106居里，平均輻射能量為5.7keV。

聚變堆中氚的釋放途徑有：事故釋放；維修操作和運行中的泄漏；由於氚通過管壁和容器的滲透力很強，可引起氚的漏失。

若採用三級大氣氚控制，從堆大廳釋放到環境中的氚可控制到小於1居里/天。概率分析結果表明，若假象事故態時釋放到堆大廳的氚為10×106居里。在FEB和ITER中的氚均為3kg左右，在停堆時刻，包層中氚的總放射性為3.3×107居里。

（3）原料豐富且分佈廣泛

聚變發電所需要的直接燃料是氘和氚。1g的氘將產生3000×1011J的電能，所以要提供當前世界上所有的能量消耗（相當於每年3×1013J）將需要每年1000t的氘。氘是很容易獲得的，因為沒6700份水中就有一份是氘。如果考慮到所有的海水，則有總量超過1015t的氘，足可以近乎於無限地提供我們所需要的能量。氘可以採用電解水的方法直接從水中提取，成本很低。

然而氚在地球上並不天然存在，因為它是半衰期為12.3年的放射物。所以作為一種燃料，氚只能通過人工製造得到。最方便的產氚方式是中子和鋰的反應。目前，有足夠的鋰可以至少維持幾萬年。

所以，聚變燃料必須的原材料理和水的儲量相當豐富，而且這些原材料分佈廣泛，任何一個國家不可能壟斷市場。

（4）不存在對石化燃料的依賴；

聚變發電站的基本原理是利用氘氚發生聚變反應來獲取能量，並使用蒸汽輪機將其轉化為電能。反應的原料是氘、氚和用於氚增值的金屬鋰，擺脫了對石化燃料的依賴。反應所產生的能量一部分用於維持聚變反應持續進行，剩下的用於發電。所以除了最初啟動聚變反應需要消耗額外的能量，接下來不再需要對其提供能量。

（5）基本不污染環境；

由聚變發電站原理可以知道聚變發電不會產生污染大氣的氣體，它的產物是對環境無害的氦氣；另外如上所討論，聚變電站產生的放射性物質較裂變電站而言很少，而且這些放射性產物的半衰期也是相當短的。

（5）無核事故風險。

聚變電站是固有安全的；它不會爆炸或脫離控制，不像裂變電站那樣包含足夠運行很多年大量鈾或鈈燃料，聚變電站只含有非常少量的氘和氚燃料。通常只有1克——只夠維持幾秒的反應。如果燃料不連續更換，聚變反映將會終止。

（1）實現太難

裂變能的利用，從開始實現“鏈式反應”（1943年）到形成一代“能源”（1970年）不過20餘年，只因“三里島”和“切爾諾貝利”兩次核事故才使裂變能源的發展停頓下來。而對聚變能的發展來說，已研究了50年，預期還要50年才能廣泛應用，原因何在？現在能回答的是:①對等離子體了解還是初步；②支持磁約束的各種技術（超導、低溫、超高真空、微波、材料等）非常複雜，因為氘氚反應要產生14MeV的強中子輻射，而且還要把上億度高溫的等離子體維持相當長的時間，這對人類現有的技術積累，提出了挑戰；③全世界對發展巨變還沒有形成一致的時間表，很難集中人力、物力和財力。

（2）第一代核反應，即氘氚反應有中子產生

所需解決“自持燃燒”及“穩態運行”的關鍵的物理和技術問題列舉如下:

自持燃燒的關鍵問題

（1）氘氚等離子體的特徵

（2）α粒子的約束

（3）α粒子的“排灰”

（4）遙控操作技術

（5）α粒子驅動的不穩定性研究

（6）自持燃燒的剖面控制

（7）高增益的燃燒控制

穩態運行的關鍵物理和技術問題

（1）高自舉電流份額

（2）穩態運行的磁鐵

（3）穩態的電流驅動

（4）氚工藝

（5）長於小時計的放電脈衝時間

（6）解決等離子體的“大破裂”

（7）包層工程

（8）低“活化”材料

（9）氚“自持”

（10）多於月計的運行時間

（11）電功率輸出

只有在此基礎上再發展實驗堆和商用堆原型，才能說“商業化”。若以一代裝置需10餘年計，這三代就需40到50年，所以說聚變商用化（托卡馬克途徑）大約在2050年後實現不是沒有根據的。因此，聚變能的應用是“任重而道遠”。有人說裂變能的利用，從開始實現“鏈式反應”（1943年）到形成一代“能源”（1970年）不過20餘年，只因“三里島”和“切爾諾貝利”兩次核事故才使裂變能源的發展停頓下來。而對聚變能的發展來說，已研究了50年，預期還要50年才能廣泛應用，原因何在？現在能回答的是:①對等離子體了解還是初步；②支持磁約束的各種技術（超導、低溫、超高真空、微波、材料等）非常複雜，因為氘氚反應要產生14MeV的強中子輻射，而且還要把上億度高溫的等離子體維持相當長的時間，這對人類現有的技術積累，提出了挑戰；③全世界對發展巨變還沒有形成一致的時間表，很難集中人力、物力和財力。

新華網合肥9月28日電（記者喻菲蔡敏程士華）世界領先的中國新一代熱核聚變裝置EAST28日首次成功完成了放電實驗，獲得電流200千安、時間接近3秒的高溫等離子體放電。

負責這一項目的中國科學院等離子體所所長李建剛研究員在接受新華社記者採訪時說，此次實驗實現了裝置內部1億度高溫，等離子體建立、圓截面放電等各階段的物理實驗，達到了預期效果。

工藝鑒定組專家、中科院基礎科學研究局金鐸研究員在實驗后的新聞發布會上宣布，EAST通過國家“九五”大科學工程工藝鑒定。參與EAST研究合作的美國通用原子能公司蓋瑞·傑克遜博士說：“EAST成為世界上第一個建成並真正運行的全超導非圓截面核聚變實驗裝置，它將在未來10年內保持世界先進水平。”

據了解，EAST裝置是中國耗時8年、耗資2億元人民幣自主設計、自主建造而成的。

記者在實驗控制室看到，這個近似圓柱形的大型物體由特種無磁不鏽鋼建成，高約12米、直徑約5米，據介紹其總重量達400噸。

李建剛研究員說，與國際同類實驗裝置相比，EAST是使用資金最少、建設速度最快、投入運行最早、運行后獲得等離子放電最快的先進核聚變實驗裝置。

“這意味著人類在核聚能研究利用領域取得重大進步，也標誌著中國在這一領域進入國際先進水平”，李建剛說。

人們認識熱核聚變是從氫彈爆炸開始的。氫彈爆炸時釋放出極大的能量，給人類帶來的是災難。而科學家們卻希望發明一種裝置，可以有效地控制“氫彈爆炸”的過程，讓能量持續穩定的輸出，以解決人類面臨的能源短缺危機。

美、法等國在20世紀80年代中期發起了耗資46億歐元的國際熱核實驗反應堆（ITER）計劃，旨在建立世界上第一個受控熱核聚變實驗反應堆，為人類輸送巨大的清潔能量。這一過程與太陽產生能量的過程類似，因此受控熱核聚變實驗裝置也被俗稱為“人造太陽”。

中國於2003年加入ITER計劃。位於安徽合肥的中科院等離子體所是這個國際科技合作計劃的國內主要承擔單位，其研究建設的EAST裝置穩定放電能力為創記錄的1000秒，超過世界上所有正在建設的同類裝置。

EAST大科學工程總經理萬元熙教授說，與ITER相比，EAST在規模上小很多，但兩者都是全超導非圓截面托卡馬克，即兩者的等離子體位形及主要的工程技術基礎是相似的，而EAST至少比ITER早投入實驗運行10至15年。因此，無論從人才培養和奠定工程技術及物理基礎的角度上說，EAST都將為ITER計劃做出重要的、實質性的貢獻，並進而為人類開發和最終使用核聚變能做出重要貢獻。

不過，萬元熙研究員說，雖然“人造太陽”的奇觀在實驗室中初現，但離真正的商業運行還有相當長的距離，它所發出的電能在短時間內還不可能進入人們的家中。但他預測，根據目前世界各國的研究狀況，這一夢想最快有可能在2040－2060年後實現。

萬元熙說，未來的穩態運行的熱核聚堆用於商業運行后，所產生的能量夠人類用數億年乃至數十億年。從長遠來看，核能將是繼石油、煤和天然氣之後的主要能源，人類將從“石油文明”走向“核能文明”。

KSTAR（Korea Superconducting Tokamak Advanced Research））是韓國大田研究基地國家聚變研究所的超導托卡馬克核聚變裝置，被稱為“韓國太陽”，它是國際熱核聚變實驗反應堆（ITER）項目的一部分。KSTAR是世界上首一個採用新型超導磁體（Nb3Sn）材料產生磁場的全超導聚變裝置，磁場強度是使用鈮鈦系統核聚變裝置的3倍多。核聚變相比核裂變釋放的能量更大，而且放射性污染幾乎為零，其原料可以直接取於海水，是理想的能源方式。KSTAR的成功為韓國的利用核聚變發電奠定了基石。韓國計劃在以後30年左右開始利用核聚變發電。

在2012年，它成功地維持高溫等離子體（約5000萬攝氏度）17秒。

中國正在加大能源結構調整力度。積極發展核電、風電、水電等清潔優質能源已刻不容緩。中國能源結構仍以煤炭為主體，清潔優質能源的比重偏低。

2014年中國運行核電機組22台，裝機容量達2029.658萬千瓦，核電發電量僅佔全國發電量2.1%。在建的核電機組有26台，約2800萬千瓦。預計到2020年前，中國在運核電裝機達到5800萬千瓦，在建3000萬千瓦。到2050年，根據不同部門的估算，中國核電裝機容量可以分為高中低三種方案：高方案為3.6億千瓦（約佔中國電力總裝機容量的30%），中方案為2.4億千瓦（約佔中國電力總裝機容量的20%），低方案為1.2億千瓦（約佔中國電力總裝機容量的10%）。

中國國家發展改革委員會正在制定中國核電發展民用工業規劃，準備到2020年中國電力總裝機容量預計為9億千瓦時，核電的比重將佔電力總容量的4%，即是中國核電在2020年時將為3600-4000萬千瓦。也就是說，到2020年中國將建成40座相當於大亞灣那樣的百萬千瓦級的核電站。

從核電發展總趨勢來看，中國核電發展的技術路線和戰略路線早已明確並正在執行，當前發展壓水堆，中期發展快中子堆，遠期發展聚變堆。具體地說就是，發展熱中子反應堆核電站；為了充分利用鈾資源，採用鈾鈈循環的技術路線，中期發展快中子增殖反應堆核電站；遠期發展聚變堆核電站，從而基本上“永遠”解決能源需求的矛盾。