氦3熱核反應的問題

【專家解說】：科學家要想讓氘原子和氚原子在特殊的位置發(fā)生碰撞并且發(fā)生聚變，需要1億攝氏度以上的極高溫環(huán)境。用核聚變原理造出來的氫彈就是靠先爆發(fā)一顆核裂變原子彈而產(chǎn)生的高熱，來觸發(fā)核聚變起燃器，使氫彈得以爆炸。但是，用原子彈引發(fā)核聚變只能引發(fā)氫彈爆炸，卻不適用于核聚變發(fā)電，因為電廠不需要一次驚人的爆炸，而需要緩緩釋放出來的電能，也就是需要“可控核聚變”。 可控核聚變反應的夢想一直被許多科學家認為不可能實現(xiàn)。但是，最近日本和歐洲進行的一些實驗表明，處理如此高溫的物質(zhì)雖然十分困難，但也并非不可能。激光技術(shù)的發(fā)展，使可控核聚變的“點火”難題有了解決的可能。目前，世界上最大激光輸出功率達100萬億瓦，足以“點燃”核聚變。除激光外，利用超高溫微波加熱法，也可達到“點火”的溫度 在起初的研究中，加熱和容納等離子體所需的能量超過了核聚變反應所產(chǎn)生的能量。也就是說投入大于產(chǎn)出，于是有記者評論說“核聚變反應器是核物理學家的一個價格昂貴的玩具”。由此，1997年美國停止了核聚變反應的研究。然而沒過多久，英國的歐洲聯(lián)合實驗室和日本的JT－60核聚變反應器都成功地使核聚變產(chǎn)生的能量大于它消耗的能量。日本研究核聚變反應甚至能達到5.2億度的高溫，每分鐘產(chǎn)生的能量比消耗的能量高出25％。這項研究進展打消了一些國家政府的疑慮，重新投入資金研究核聚變反應。 國際實驗熱核反應堆是世界最大的核聚變反應堆，該實驗站的建造計劃在30年中總投資100億歐元，其首期建造工程將持續(xù)10年，預計耗資50億歐元，由歐盟承擔其中40％的費用。建成之后20年的運營成本將再需要50億歐元。總耗資約100億歐元，我國于2003年2月18日加入該計劃，預計投入10億歐元，這是我國繼“雙星”計劃和“伽利略”導航衛(wèi)星計劃之后加入的第三個大型國際科技合作項目。當然，巨大的投資也將為投資國帶來巨大的經(jīng)濟和科技回報。設(shè)計者希望國際實驗熱核反應堆的研究能夠消除大家對核聚變反應的懷疑，證明核聚變反應確實能為未來提供一種可行的能源，成功地為在本世紀中葉建成核聚變電站打好基礎(chǔ)。 從1994年開始，美國就開始在加利福尼亞州的勞倫斯·利物摩爾國家實驗室里建造國家點火裝置，中途多次停工。這個工程預計耗資12億美元，到2010年完工。該裝置建成后將是世界上最大的激光裝置。該激光裝置的大廳有215米長，120米寬。它每次激光脈沖的最大輸出能量可達1.8兆焦，其瞬間最大輸出功率達到54000億千瓦，是美國所有電廠輸出功率的500倍。這么大的輸出功率有可能“引燃”核聚變反應。國家點火裝置將通過高強度激光來模擬太陽或其他恒星內(nèi)部發(fā)生核聚變化學反應的條件，研究激光核聚變反應的控制方法和輸出功率，為以后商業(yè)核聚變發(fā)電做理論準備。 ３個氦核聚合成１個碳核 氘—氚反應的產(chǎn)物為氦－４和中子，而氘—氦－３反應的產(chǎn)物為氦－４和質(zhì)子，從防護、安全等方面分析，氘—氦－３反應的優(yōu)勢不可忽視。更不應該回避的是氚是一種放射性核素，而氦－３是穩(wěn)定核素，大量使用氚所帶來的防護、安全、造價等一系列難題是難以估量的，也無法與使用氦－３相比擬。文中只提出地球上的氘極其豐富，但也不應該回避地球上的氚提取困難；氦－３極其貧乏，從全地球的天然氣、海水、大氣……提取氦－３，全地球大約只有１５噸，無法滿足資源需求。因此，探測與估算月球月壤中１００萬～５００萬噸氦－３的資源量，作為一種科學探測是有意義的。至于將來４０～５０年以后人類如何開發(fā)利用月球的氦－３， 聚變能是一種無限的、清潔的、安全的新能源。核聚變主要原料是氫（H）、氘（D）和氚（T）。由于4個氫核聚合成一個氦這個反應速度太慢，不適合在地球上反應，所以一般不考慮。D-D反應是首選的聚變反應。氘又叫重氫。較易從海水中提取，氘在地球的海水中藏量豐富，多達40萬億噸，如果全部用于聚變反應，釋放出的能量足夠人類使用幾百億年，而且反應產(chǎn)物是無放射性污染的氦。另外，由于核聚變需要極高溫度，一旦某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，燃料溫度下降，聚變反應就會自動中止。又因為每時每刻只有一丁兒氘聚變，沒有失控危險。也就是說，聚變堆是次臨界堆，絕對不會發(fā)生類似前蘇聯(lián)切爾諾貝利核（裂變）電站的事故。 聚變的第一步是要使燃料處于等離子體態(tài)，即進入物質(zhì)第四態(tài)。等離子體是一種充分電離的、整體呈電中性的氣體。在等離子體中，由于高溫，電子已獲得足夠的能量擺脫原子核的束縛，原子核完全裸露，為核子的碰撞準備了條件。當?shù)入x子體的溫度達到幾千萬攝氏度甚至幾億度時，原子核就可以克服斥力聚合在一起。目前，激光技術(shù)的發(fā)展和進步，使高溫點火問題獲得解決，世界上最大的激光器輸出功率已達100萬億瓦，足夠點燃核聚變之用。此外，利用超高頻微波加熱法也可達到點火溫度。如果同時還有足夠的密度和足夠長的熱能約束時間，這種聚變反應就可以穩(wěn)定地持續(xù)進行。等離子體的溫度、密度和熱能約束時間三者乘積稱為“聚變?nèi)胤e”，當它達到1022時，聚變反應輸出的功率等于為驅(qū)動聚變反應而輸入的功率，必須超過這一基本值，聚變反應才能自持進行。 受控熱核聚變能的研究分慣性約束和磁約束兩種途徑。 慣性約束：激光慣性約束是在直徑為0.4mm的小球內(nèi)充以30-100大氣壓的氘氚混合氣體，用強激光（1012-1014W）均勻照射，使氘氚混合氣體的密度達到液體密度的一千到一萬倍，溫度達到108K而引發(fā)聚變。其它慣性約束方案：電子束、重離子束慣性約束。 磁約束：是利用強磁場可以 很好地約束帶電粒子這個特性，構(gòu)造一個特殊的磁容器，建成聚變反應堆，在其中將聚變材料加熱至數(shù)億攝氏度高溫，實現(xiàn)聚變反應。20世紀下半葉，聚變能的研究取得了重大的進展，托卡馬克類型的磁約束研究領(lǐng)先于其它途徑。托卡馬克是前蘇聯(lián)科學家于上世紀60年代發(fā)明的一種環(huán)形磁約束裝置。美、日、歐等發(fā)達國家的大型常規(guī)托卡馬克在短脈沖（數(shù)秒量級）運行條件下，做出了許多重要成果。等離子體溫度已達4.4億度；脈沖聚變輸出功率超過16兆瓦；Q值（表示輸出功率與輸入功率之比）已超過1.25。所有這些成就都表明：在托卡馬克上產(chǎn)生聚變能的科學可行性已被證實。但這些結(jié)果都是在數(shù)秒時間內(nèi)以脈沖形式產(chǎn)生的，與實際反應堆的連續(xù)運行仍有較大的距離，其主要原因在于磁容器的產(chǎn)生是脈沖形式的。受控熱核聚變能研究的一次重大突破，就是將超導技術(shù)成功地應用于產(chǎn)生托卡馬克強磁場的線圈上，建成了超導托卡馬克，使得磁約束位形的連續(xù)穩(wěn)態(tài)運行成為現(xiàn)實。超導托卡馬克是公認的探索、解決未來具有超導堆芯的聚變反應堆工程及物理問題的最有效的途徑。目前，全世界僅有俄、日、法、中四國擁有超導托卡馬克。法國的超導托卡馬克Tore-supra體積是HT-7的17.5倍，它是世界上第一個真正實現(xiàn)高參數(shù)準穩(wěn)態(tài)運行的裝置，在放電時間長達120秒條件下，等離子體溫度為兩千萬度，中心密度每立方米1.5×1019，放電時間是熱能約束時間的數(shù)百倍。