人类可控核聚变的种类以及实现方式（科普）
2015-07-26 11:07:25 来源：中国环境报评论：0 点击：

本文简单的讲述了可控核聚变的种类以及实现方法，包括磁约束核聚变，惯性越说核聚变，聚裂变混合对以及其他形式的核聚变包括冷核聚变，是一片通俗易懂的科普文章。

核能是组成原子核的中子和质子重新分配和组合时释放的能量，包括重核的裂变和轻核的聚变两种类型。当今世界上已经建成和广泛使用的反应堆都是裂变反应堆，聚变反应堆目前尚处于研究设计阶段。

　　与核裂变相比，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几乎取之不尽的氘，是目前认识到的可以最终解决人类社会能源问题和环境问题、推动人类社会可持续发展的重要途径之一。

　　要实现持续的轻核聚变反应，要求相当苛刻。必须在超高温和高压的情况下发生，而且伴随着巨大的能量释放，温度可达上亿度，几乎没有任何材料可以承受。

　　事实上，人类已经实现不受控制的核聚变，如氢弹的爆炸，但要想有效利用核聚变释放的能量，必须合理地控制核聚变的速度和规模，实现持续、平稳的能量输出。为了能够早日实现聚变能的可控释放，科学家进行了很多尝试。

　　一、磁约束型核聚变

　　磁约束热核聚变是当前开发聚变能源中最有希望的途径，在受控核聚变的探索方面，已提出了许多种磁约束途径，其中环形磁约束装置(托卡马克)是目前各个实验方案中最成功的方法。

　　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。

　　中科院等离子体所的EAST采用世界上第一个非圆截面全超导托卡马克，西南物理研究院的中国环流器一号以及国际热核聚变实验堆(ITER)计划也都采用托卡马克的原理实现聚变能的可控释放。

　　磁约束设备比较大，但反应持续性能好，不需要反复点火，适合作为核电站、大型船舶的供电系统，但其缺点在于开关火性能不佳，灵活度不够，而且维持强磁场所需的电能成本也不低。

　　二、惯性约束型核聚变

　　惯性约束中激光约束技术最为成熟，这主要是因为激光技术能产生聚焦良好的能量巨大的脉冲光束，因此我国的神光装置以及美国的国家点火装置都采用这种核聚变约束形式。

　　另外，中国工程物理研究院研制的Z箍缩驱动聚变技术也属于惯性约束，它是利用脉冲功率技术，创造大电流从金属套筒(后变为等离子体)流过的条件，产生超强电磁内爆，使等离子体套筒获得足够的内爆动能，然后与聚变靶丸相互作用，把动能变为辐射能，近似球对称低压缩热核燃料，最终实现大规模的热核聚变。

　　惯性约束的好处在于设备可以做小，而且开、关火控制性能也比较好，适合在未来用于飞行器等领域，但其缺点是需要消耗大量能源产生激光用来点火，而且燃料靶丸制造成本也很高。

　　三、聚裂变混合堆

　　目前的聚变技术，包括进展得比较快的托卡马克，为了获得有益的能量输出，要求聚变产生的能量远大于为创造实现聚变的条件而消耗的能量，距离商业应用还有相当一段距离。

　　而聚变裂变混合堆只要求聚变产生的能量与消耗的能量差不多相等就可以了，因而它对聚变的要求比纯聚变堆低些，是实现聚变能商业应用的捷径。

　　所谓聚变裂变混合堆就是利用聚变反应产生的中子，在聚变反应室外的铀-238、钍-232包层中，生产钚-239或铀-233等核燃料，同时释放出裂变能。

　　从能量得失来看，聚变裂变混合堆利用裂变倍增了聚变能，其值可达一个数量级，因此聚变堆芯只要接近或达到能量得失相当，就有建造的意义。

　　在混合堆中，聚变要不断加料才得以维持，而裂变处于次临界状态，不存在超临界等安全问题。当前一些大型托卡马克装置已达到混合堆的聚变堆芯要求，而裂变是成熟技术可以直接采用。混合堆减轻了对材料的要求，是纯聚变堆商用的过渡堆型。

　　四、核爆聚变电站

　　所谓核爆聚变电站就是利用聚变装置爆炸释放的能量来发电，聚变装置的设计原理和氢弹基本相同。

　　由于核爆炸释放的能量是瞬间而巨大的，因此如何将核爆炸的能量安全地转化成可以利用的热能和电能，技术难度非常大。

　　在设想的电站当中，核装置在一个巨大的洞室中爆炸，爆炸之前往洞中喷液态金属钠，并使钠在爆炸时刻在爆炸装置的周围形成一定的分布从而大量吸收爆炸的能量，同时还可以有效降低爆炸冲击对爆破洞壁的作用强度。

　　爆炸后，把加热了的钠从洞中抽出，与电站第二回路形成热交换，从而发电。当然，要实现核爆聚变电站，还需要解决很多问题，例如核燃料的生产和回收问题、安全地把核爆炸能转换为热能和电能，同时还要大幅减少工程技术上的难度。

　　除了以上几种利用聚变能的方式，科学家还研究了重力场约束型核聚变、常温核聚变、L子催化核聚变、超声波核聚变以及气泡核聚变等聚变方法，这些都是人们试图实现核聚变受控进行，实现能量持续平稳输出的有力尝试。

　　希望能够通过人们的不断努力，让我们早日用上能量取之不尽用之不竭的人造“小太阳”，从而在享受现代科技带来的舒适便利之时，又采用清洁的能源而不污染环境。

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