新能源技术：磁约束核聚变
2015-04-27 08:22:38 来源：光明日报评论：0 点击：

日前，中国科技大学宣布，我国首台大型反场箍缩磁约束聚变实验装置（KTX）各系统的部件研制建造工作全面完成，进入装置的最后整体安装调试阶段。从核裂变到核聚变，科学家们始终在寻找最清洁的能源。

早在1942年12月2日，美国物理学家E·费米在芝加哥大学校园内一个球场上建成了世界第一个核反应堆。由此，人类开创了释放核能的新时代。1954年苏联建成了世界上第一座和平运用的核电站——奥布林斯克核电站，开创了民用核电的先声。六十年后的今天，核裂变发电以其稳定高效、不产生温室气体等优势备受世人青睐。根据国际原子能机构2011年1月公布的数据，全球正在运行的核电机组共442个，核电发电量约占全球发电总量的16%。

现今普遍建造和使用的核反应堆都是基于重核裂变的原理。重核裂变是用亚原子的粒子撞击重原子（主要是铀或钚原子）靶核，引起撞击后的靶核分裂成一些碎片，其中包括两三个中子。这些中子又会撞上其他的重原子，使之继续分裂并释放更多的中子。如果有足够多的重原子在一个足够小的空间中，那么这个过程就会滚雪球一般呈链式发生。以铀235为例，经过40个回合的铀原子分裂，所释放的能量可以把一个白炽灯泡点亮大约1秒钟；80个回合（这仅是链式反应开始后的瞬间）所释放的能量将超过1万吨TNT炸药爆炸时的能量。

然而科学家们并不满足。他们一直在考虑，能不能实现可控核聚变，让我们能够获得源源不断的清洁能源？一般情况下，带正电的原子核是相互排斥的。倘若原子足够热，原子核运动的速度足够快，那么即便原子核之间的库仑力也无法阻止它们的撞击。撞击之后所形成的新原子要比撞击之前两个原子质量之和小，撞击过程中失踪的那部分质量将可转化为能量。太阳内氢、碳、氮等原子正是处于高温等离子体状态下，通过氢-氢循环和碳-氮循环进行聚变反应产生巨大能量。

KTX装置主机结构示意图

所谓高温等离子体，是指在高温状态下，原子被剥夺的外层电子及带正电离子组成的离子化气体状物质，被视为是除去固、液、气外物质存在的第四态。虽然掌握了核聚变的发生原理，但要人为地在地球上实现持续不断的稳定核聚变反应还有一些亟待解决的问题。除要把原子加热到太阳般甚至更高的温度形成高温等离子体之外，地球上也没有如太阳的巨大引力，让等离子体聚合在一起形成微妙的平衡临界点上持续进行聚变。

倘若把高温等离子比作普罗米修斯盗取的“天火”，人类若想操控运用“天火”，就必须把它装在一个容器里，且维持不断燃烧。这个道理正如同太阳用引力约束等离子体维持核聚变反应一般。然而，核聚变等离子体温度如此之高，任何实物容器都无法承受。科学家们知道带电粒子在磁场下的运动规律，发明了“环形磁笼”。“环形磁笼”就是利用围成一圈的线圈通电所产生的强大环形磁场，将高温等离子体装起来。这就是所谓磁约束核聚变。在这种约束条件下，通过实现等离子体的点火和自持燃烧，以聚变产生的能量来维持聚变反应，才能保证整个核聚变以受控的、持续的方式开展。

反场箍缩磁约束聚变实验装置的原理也是如此。据介绍，反场箍缩是有别于托卡马克、仿星器位形的另一类环形磁约束聚变装置，是先进磁约束聚变位形探索研究的重要平台。反场箍缩最重要的特点是约束等离子体的磁场是由等离子体内部电流所产生，具有纯欧姆加热达到聚变点火条件、高质量功率密度等优势，是未来磁约束反应堆位形的候选方案。正在建设的KTX装置大半径1.4米，小半径0.4米，磁场可达7千高斯，等离子体电流可达1兆安培，电子温度可达600万度，放电时间可达100毫秒。磁体系统由24个纵场线圈、26个欧姆场线圈、12个平衡场线圈以及136个反馈控制线圈组成，最大线圈直径达7米。KTX装置主机总体直径8米，通高6米，总重量超过70吨。

国际上，集合了中、美、俄、日、韩、印度、欧盟等多国科技力量的“国际热核聚变实验反应堆”（ITER）正在研究建造中。当今世界正处在通向受控核聚变能源应用的路上。不久的将来，原型示范堆将实现运行。到那时候，人们将以更易得的燃料，获得源源不断的清洁能源。

冷聚变世界
2015年4月27日

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