什么是核聚变？

【专家解说】：核聚变 开放分类：物理、科技、核反应、核聚变 核聚变的定义： 核聚变是指由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高温和高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。原子核中蕴藏巨大的能量，原子核的变化（从一种原子核变化为另外一种原子核）往往伴随着能量的释放。如果是由重的原子核变化为轻的原子核，叫核裂变，如原子弹爆炸；如果是由轻的原子核变化为重的原子核，叫核聚变，如太阳发光发热的能量来源。 相比核裂变，核聚变几乎不会带来放射性污染等环境问题，而且其原料可直接取自海水中的氘，来源几乎取之不尽，是理想的能源方式。 目前人类已经可以实现不受控制的核聚变，如氢弹的爆炸。但是要想能量可被人类有效利用，必须能够合理的控制核聚变的速度和规模，实现持续、平稳的能量输出。科学家正努力研究如何控制核聚变，但是现在看来还有很长的路要走。 目前主要的几种可控核聚变方式： 超声波核聚变 激光约束（惯性约束）核聚变 磁约束核聚变（托卡马克） 核聚变的另一定义 比原子弹威力更大的核武器—氢弹，就是利用核聚变来发挥作用的。核聚变的过程与核裂变相反，是几个原子核聚合成一个原子核的过程。只有较轻的原子核才能发生核聚变，比如氢的同位素氘(dao)、氚(chuan)等。核聚变也会放出巨大的能量，而且比核裂变放出的能量更大。太阳内部连续进行着氢聚变成氦过程，它的光和热就是由核聚变产生的。 核聚变能释放出巨大的能量，但目前人们只能在氢弹爆炸的一瞬间实现非受控的人工核聚变。而要利用人工核聚变产生的巨大能量为人类服务，就必须使核聚变在人们的控制下进行，这就是受控核聚变。 实现受控核聚变具有极其诱人的前景。不仅因为核聚变能放出巨大的能量，而且由于核聚变所需的原料——氢的同位素氘可以从海水中提取。经过计算，1升海水中提取出的氘进行核聚变放出的能量相当于300升汽油燃烧释放的能量。全世界的海水几乎是“取之不尽”的，因此受控核聚变的研究成功将使人类摆脱能源危机的困扰。 但是人们现在还不能进行受控核聚变，这主要是因为进行核聚变需要的条件非常苛刻。发生核聚变需要在1亿度的高温下才能进行，因此又叫热核反应。可以想象，没有什么材料能经受得起1亿度的高温。此外还有许多难以想象的困难需要去克服。尽管存在着许多困难，人们经过不断研究已取得了可喜的进展。科学家们设计了许多巧妙的方法，如用强大的磁场来约束反应，用强大的激光来加热原子等。可以预计，人们最终将掌握控制核聚变的方法，让核聚变为人类服务。 利用核能的最终目标是要实现受控核聚变。裂变时靠原子核分裂而释出能量。聚变时则由较轻的原子核聚合成较重的较重的原子核而释出能量。最常见的是由氢的同位素氘（读"刀"，又叫重氢）和氚（读"川"，又叫超重氢）聚合成较重的原子核如氦而释出能量。核聚变较之核裂变有两个重大优点。一是地球上蕴藏的核聚变能远比核裂变能丰富得多。据测算，每升海水中含有0.03克氘，所以地球上仅在海水中就有45万亿吨氘。1升海水中所含的氘，经过核聚变可提供相当于300升汽油燃烧后释放出的能量。地球上蕴藏的核聚变能约为蕴藏的可进行核裂变元素所能释出的全部核裂变能的1000万倍，可以说是取之不竭的能源。至于氚，虽然自然界中不存在，但靠中子同锂作用可以产生，而海水中也含有大量锂。 第二个优点是既干净又安全。因为它不会产生污染环境的放射性物质，所以是干净的。同时受控核聚变反应可在稀薄的气体中持续地稳定进行，所以是安全的。 目前实现核聚变已有不少方法。最早的著名方法是"托卡马克"型磁场约束法。它是利用通过强大电流所产生的强大磁场，把等离子体约束在很小范围内以实现上述三个条件。虽然在实验室条件下已接近于成功，但要达到工业应用还差得远。按照目前技术水平，要建立托卡马克型核聚变装置，需要几千亿美元。 另一种实现核聚变的方法是惯性约束法。惯性约束核聚变是把几毫克的氘和氚的混合气体或固体，装入直径约几毫米的小球内。从外面均匀射入激光束或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸发，受它的反作用，球面内层向内挤压（反作用力是一种惯性力，靠它使气体约束，所以称为惯性约束），就像喷气飞机气体往后喷而推动飞机前飞一样，小球内气体受挤压而压力升高，并伴随着温度的急剧升高。当温度达到所需要的点火温度（大概需要几十亿度）时，小球内气体便发生爆炸，并产生大量热能。这种爆炸过程时间很短，只有几个皮秒（1皮等于1万亿分之一）。如每秒钟发生三四次这样的爆炸并且连续不断地进行下去，所释放出的能量就相当于百万千瓦级的发电站。 原理上虽然就这么简单，但是现有的激光束或粒子束所能达到的功率，离需要的还差几十倍、甚至几百倍，加上其他种种技术上的问题，使惯性约束核聚变仍是可望而不可及的。 尽管实现受控热核聚变仍有漫长艰难的路程需要我们征服，但其美好前景的巨大诱惑力，正吸引着各国科学家在奋力攀登。 补充内容： 每克氘聚变时所释放的能量为5.8×10^8kJ，大于每克U－235裂变时所释放的能量（8.2×10^7KJ）。从能源的角度考虑，核聚变有几个方面比核裂变优越：其一，聚变产物是稳定的氦核，没有放射性污染产生，没有难于处理的废料；其二，聚变原料氘的资源比较丰富，在海水中氘和氢之比为1.5×10^-4∶1，地球上海水总量约为10^18吨，其中蕴藏着大量的氘，提炼氘比提炼铀容易得多。遗憾的是这个聚变反应需要非常高的温度，以克服两个带正电的氘核之间的巨大排斥力（从理论计算，要克服这种库仑斥力需要10^9℃的高温）。氢弹的制造原理，就是利用一个小的原子弹作为引爆装置，产生瞬间高温引发上述聚变反应发生强烈爆炸。氢元素的几种同位素之间能发生多种聚变反应，这种变化过程存在于宇宙之间，太阳辐射出来的巨大能量就来源于这类核聚变。但我们目前尚没有办法在地球上利用这类核聚变发电，怎样能取得这样高的温度？用什么材料制造反应器？怎样控制聚变过程等各种问题尚无答案。 补充：我国核聚变装置的最新消息： 新华网合肥9月28日电（记者喻菲蔡敏程士华）世界领先的中国新一代热核聚变装置EAST28日首次成功完成了放电实验，获得电流200千安、时间接近3秒的高温等离子体放电。 负责这一项目的中国科学院等离子体所所长李建刚研究员在接受新华社记者采访时说，此次实验实现了装置内部1亿度高温，等离子体建立、圆截面放电等各阶段的物理实验，达到了预期效果。 工艺鉴定组专家、中科院基础科学研究局金铎研究员在实验后的新闻发布会上宣布，EAST通过国家“九五”大科学工程工艺鉴定。参与EAST研究合作的美国通用原子能公司盖瑞·杰克逊博士说：“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，它将在未来10年内保持世界先进水平。” 据了解，EAST装置是中国耗时8年、耗资2亿元人民币自主设计、自主建造而成的。 记者在实验控制室看到，这个近似圆柱形的大型物体由特种无磁不锈钢建成，高约12米、直径约5米，据介绍其总重量达400吨。 李建刚研究员说，与国际同类实验装置相比，EAST是使用资金最少、建设速度最快、投入运行最早、运行后获得等离子放电最快的先进核聚变实验装置。 “这意味着人类在核聚能研究利用领域取得重大进步，也标志着中国在这一领域进入国际先进水平”，李建刚说。 人们认识热核聚变是从氢弹爆炸开始的。氢弹爆炸时释放出极大的能量，给人类带来的是灾难。而科学家们却希望发明一种装置，可以有效地控制“氢弹爆炸”的过程，让能量持续稳定的输出，以解决人类面临的能源短缺危机。 美、法等国在20世纪80年代中期发起了耗资46亿欧元的国际热核实验反应堆（ITER）计划，旨在建立世界上第一个受控热核聚变实验反应堆，为人类输送巨大的清洁能量。这一过程与太阳产生能量的过程类似，因此受控热核聚变实验装置也被俗称为“人造太阳”。 中国于2003年加入ITER计划。位于安徽合肥的中科院等离子体所是这个国际科技合作计划的国内主要承担单位，其研究建设的EAST装置稳定放电能力为创记录的1000秒，超过世界上所有正在建设的同类装置。 EAST大科学工程总经理万元熙教授说，与ITER相比，EAST在规模上小很多，但两者都是全超导非圆截面托卡马克，即两者的等离子体位形及主要的工程技术基础是相似的，而EAST至少比ITER早投入实验运行10至15年。因此，无论从人才培养和奠定工程技术及物理基础的角度上说，EAST都将为ITER计划做出重要的、实质性的贡献，并进而为人类开发和最终使用核聚变能做出重要贡献。 不过，万元熙研究员说，虽然“人造太阳”的奇观在实验室中初现，但离真正的商业运行还有相当长的距离，它所发出的电能在短时间内还不可能进入人们的家中。但他预测，根据目前世界各国的研究状况，这一梦想最快有可能在30－50年后实现。 万元熙说，未来的稳态运行的热核聚堆用于商业运行后，所产生的能量够人类用数亿年乃至数十亿年。从长远来看，核能将是继石油、煤和天然气之后的主要能源，人类将从“石油文明”走向“核能文明” 聚变反应到底是怎么进行的？ 简单的回答:根据爱因斯坦质能方程E=mc2. 原子核发生聚变时,有一部分质量转化为能量释放出来. 只要微量的质量就可以转化成很大的能量. 两个轻的原子核相碰，可以形成一个原子核并释放出能量，这就是聚变反应，在这种反应中所释放的能量称聚变能。聚变能是核能利用的又一重要途径。 最重要的聚变反应有： 式中D是氘核(重氢)、T是氚核(超重氢)。以上两组反应总的效果是： 即每“烧’掉6个氘核共放出43．24MeV能量，相当于每个核子平均放出3．6MeV。它比n＋裂变反应中每个核子平均放出200／236＝0．85MeV高4倍。因此聚变能是比裂变能更为巨大的一种核能。 核聚变能利用的燃料是氘(D)和氚。氘在海水中大量存在。海水中大约每600个氢原子中就有一个氘原子，海水中氘的总量约40万亿吨。每升海水中所含的氘完全聚变所释放的聚变能相当于300升汽油燃料的能量。按目前世界消耗的能量计算，海水中氘的聚变能可用几百亿年。氚可以有锂制造。锂主要有锂-6和锂-7两种同位素。锂-6吸收一个热中子后，可以变成氚并放出能量。锂-7要吸收快中子才能变成氚。地球上锂的储量虽比氘少得多，也有两千多亿吨。用它来制造氚，足够用到人类使用氘、氘聚变的年代。因此，核聚变能是一种取之不尽用之不竭的新能源。 在可以预见的地球上人类生存的时间内，水的氘，足以满足人类未来几十亿年对能源的需要。从这个意义上说，地球上的聚变燃料，对于满足未来的需要说来，是无限丰富的，聚变能源的开发，将“一劳永逸”地解决人类的能源需要。六十多年来科学家们不懈的努力，已在这方面为人类展现出美好的前景。 典型的聚变反应是 411H—→42He+20-1e+2.67×107eV 21H+21H—→32He+10n+3.2×106eV 21H+21H—→31H+11H+4×106eV 31H+21H—→42He+10n+1.76×107eV 后三个反应的净反应是 521H—→42He+32He+11H+210n+2.48×107eV 即每5个21H聚变后放出2.48×107eV能量。 氘是相当丰富的氢同位素，在海洋中每6500个氢原子就有1个氘原子，这意味着海洋是极大量氘的潜在来源。仅在1L海水中就有1.03×1022个氘原子，就是说每1Km3海水中氘原子所具有的潜在能量相当于燃烧13600亿桶原油的能量，这个数字约为地球上蕴藏的石油总储量。 要使原子核之间发生聚变，必须使它们接近到飞米级。要达到这个距离，就要使核具有很大的动能，以克服电荷间极大的斥力。要使核具有足够的动能，必须把它们加热到很高的温度（几百万摄氏度以上）。因此，核聚变反应又叫热核反应。原子弹爆炸产生的高温可引起热核反应，氢弹就是这样爆炸的。 受控核聚变是等离子态的原子核在高温下有控制地发生大量原子核聚变的反应，同时释放出能量。氘是最重要的聚变燃料，海洋是氘的潜在来源，一旦能实现以氘为基本燃料的受控核聚变，人们就几乎拥有了取之不尽、用之不竭的能源。氢弹爆炸释放出来的大量聚变能、原子弹爆炸释放出来的大量裂变能，都是不可控制的。在第一颗原子弹爆炸后仅十多年，人们就找到控制裂变反应的办法，并建成了裂变电站。原以为氢弹炸爆后能建成聚变电站，但并不如此简单，即使在地球条件下能发生的聚变反应： 31H+21H—→42He+10n+1.76×107eV 也只能在极高的温度（＞4000℃）和足够大的碰撞几率条件下，才能大量发生。因此实际可作为能源使用的受控热核聚变反应，必须在产生并加热等离子体到亿万摄氏度高温的同时，还要有效约束这一高温等离子体。这就是近几十年内研究的难题和期望攻克的目标。我国的中科院物理所、中科院等离子物理所、西南物理研究院在实验工程和理论研究各方面都做了许多的工作，也取得了许多重要的进展。