什么是核聚變？

【專(zhuān)家解說(shuō)】：核聚變 開(kāi)放分類(lèi)：物理、科技、核反應(yīng)、核聚變 核聚變的定義： 核聚變是指由質(zhì)量小的原子，主要是指氘或氚，在一定條件下（如超高溫和高壓），發(fā)生原子核互相聚合作用，生成新的質(zhì)量更重的原子核，并伴隨著巨大的能量釋放的一種核反應(yīng)形式。原子核中蘊(yùn)藏巨大的能量，原子核的變化（從一種原子核變化為另外一種原子核）往往伴隨著能量的釋放。如果是由重的原子核變化為輕的原子核，叫核裂變，如原子彈爆炸；如果是由輕的原子核變化為重的原子核，叫核聚變，如太陽(yáng)發(fā)光發(fā)熱的能量來(lái)源。 相比核裂變，核聚變幾乎不會(huì)帶來(lái)放射性污染等環(huán)境問(wèn)題，而且其原料可直接取自海水中的氘，來(lái)源幾乎取之不盡，是理想的能源方式。 目前人類(lèi)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)不受控制的核聚變，如氫彈的爆炸。但是要想能量可被人類(lèi)有效利用，必須能夠合理的控制核聚變的速度和規(guī)模，實(shí)現(xiàn)持續(xù)、平穩(wěn)的能量輸出。科學(xué)家正努力研究如何控制核聚變，但是現(xiàn)在看來(lái)還有很長(zhǎng)的路要走。 目前主要的幾種可控核聚變方式： 超聲波核聚變 激光約束（慣性約束）核聚變 磁約束核聚變（托卡馬克） 核聚變的另一定義 比原子彈威力更大的核武器—?dú)鋸?，就是利用核聚變?lái)發(fā)揮作用的。核聚變的過(guò)程與核裂變相反，是幾個(gè)原子核聚合成一個(gè)原子核的過(guò)程。只有較輕的原子核才能發(fā)生核聚變，比如氫的同位素氘(dao)、氚(chuan)等。核聚變也會(huì)放出巨大的能量，而且比核裂變放出的能量更大。太陽(yáng)內(nèi)部連續(xù)進(jìn)行著氫聚變成氦過(guò)程，它的光和熱就是由核聚變產(chǎn)生的。 核聚變能釋放出巨大的能量，但目前人們只能在氫彈爆炸的一瞬間實(shí)現(xiàn)非受控的人工核聚變。而要利用人工核聚變產(chǎn)生的巨大能量為人類(lèi)服務(wù)，就必須使核聚變?cè)谌藗兊目刂葡逻M(jìn)行，這就是受控核聚變。 實(shí)現(xiàn)受控核聚變具有極其誘人的前景。不僅因?yàn)楹司圩兡芊懦鼍薮蟮哪芰?，而且由于核聚變所需的原料——?dú)涞耐凰仉梢詮暮Ｋ刑崛?。?jīng)過(guò)計(jì)算，1升海水中提取出的氘進(jìn)行核聚變放出的能量相當(dāng)于300升汽油燃燒釋放的能量。全世界的海水幾乎是“取之不盡”的，因此受控核聚變的研究成功將使人類(lèi)擺脫能源危機(jī)的困擾。 但是人們現(xiàn)在還不能進(jìn)行受控核聚變，這主要是因?yàn)檫M(jìn)行核聚變需要的條件非常苛刻。發(fā)生核聚變需要在1億度的高溫下才能進(jìn)行，因此又叫熱核反應(yīng)?？梢韵胂?，沒(méi)有什么材料能經(jīng)受得起1億度的高溫。此外還有許多難以想象的困難需要去克服。盡管存在著許多困難，人們經(jīng)過(guò)不斷研究已取得了可喜的進(jìn)展?？茖W(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了許多巧妙的方法，如用強(qiáng)大的磁場(chǎng)來(lái)約束反應(yīng)，用強(qiáng)大的激光來(lái)加熱原子等?？梢灶A(yù)計(jì)，人們最終將掌握控制核聚變的方法，讓核聚變?yōu)槿祟?lèi)服務(wù)。 利用核能的最終目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)受控核聚變。裂變時(shí)靠原子核分裂而釋出能量。聚變時(shí)則由較輕的原子核聚合成較重的較重的原子核而釋出能量。最常見(jiàn)的是由氫的同位素氘（讀"刀"，又叫重氫）和氚（讀"川"，又叫超重氫）聚合成較重的原子核如氦而釋出能量。核聚變較之核裂變有兩個(gè)重大優(yōu)點(diǎn)。一是地球上蘊(yùn)藏的核聚變能遠(yuǎn)比核裂變能豐富得多。據(jù)測(cè)算，每升海水中含有0.03克氘，所以地球上僅在海水中就有45萬(wàn)億噸氘。1升海水中所含的氘，經(jīng)過(guò)核聚變可提供相當(dāng)于300升汽油燃燒后釋放出的能量。地球上蘊(yùn)藏的核聚變能約為蘊(yùn)藏的可進(jìn)行核裂變?cè)厮茚尦龅娜亢肆炎兡艿?000萬(wàn)倍，可以說(shuō)是取之不竭的能源。至于氚，雖然自然界中不存在，但靠中子同鋰作用可以產(chǎn)生，而海水中也含有大量鋰。 第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是既干凈又安全。因?yàn)樗粫?huì)產(chǎn)生污染環(huán)境的放射性物質(zhì)，所以是干凈的。同時(shí)受控核聚變反應(yīng)可在稀薄的氣體中持續(xù)地穩(wěn)定進(jìn)行，所以是安全的。 目前實(shí)現(xiàn)核聚變已有不少方法。最早的著名方法是"托卡馬克"型磁場(chǎng)約束法。它是利用通過(guò)強(qiáng)大電流所產(chǎn)生的強(qiáng)大磁場(chǎng)，把等離子體約束在很小范圍內(nèi)以實(shí)現(xiàn)上述三個(gè)條件。雖然在實(shí)驗(yàn)室條件下已接近于成功，但要達(dá)到工業(yè)應(yīng)用還差得遠(yuǎn)。按照目前技術(shù)水平，要建立托卡馬克型核聚變裝置，需要幾千億美元。 另一種實(shí)現(xiàn)核聚變的方法是慣性約束法。慣性約束核聚變是把幾毫克的氘和氚的混合氣體或固體，裝入直徑約幾毫米的小球內(nèi)。從外面均勻射入激光束或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸發(fā)，受它的反作用，球面內(nèi)層向內(nèi)擠壓（反作用力是一種慣性力，靠它使氣體約束，所以稱(chēng)為慣性約束），就像噴氣飛機(jī)氣體往后噴而推動(dòng)飛機(jī)前飛一樣，小球內(nèi)氣體受擠壓而壓力升高，并伴隨著溫度的急劇升高。當(dāng)溫度達(dá)到所需要的點(diǎn)火溫度（大概需要幾十億度）時(shí)，小球內(nèi)氣體便發(fā)生爆炸，并產(chǎn)生大量熱能。這種爆炸過(guò)程時(shí)間很短，只有幾個(gè)皮秒（1皮等于1萬(wàn)億分之一）。如每秒鐘發(fā)生三四次這樣的爆炸并且連續(xù)不斷地進(jìn)行下去，所釋放出的能量就相當(dāng)于百萬(wàn)千瓦級(jí)的發(fā)電站。 原理上雖然就這么簡(jiǎn)單，但是現(xiàn)有的激光束或粒子束所能達(dá)到的功率，離需要的還差幾十倍、甚至幾百倍，加上其他種種技術(shù)上的問(wèn)題，使慣性約束核聚變?nèi)允强赏豢杉暗摹? 盡管實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷司圩內(nèi)杂新L(zhǎng)艱難的路程需要我們征服，但其美好前景的巨大誘惑力，正吸引著各國(guó)科學(xué)家在奮力攀登。 補(bǔ)充內(nèi)容： 每克氘聚變時(shí)所釋放的能量為5.8×10^8kJ，大于每克U－235裂變時(shí)所釋放的能量（8.2×10^7KJ）。從能源的角度考慮，核聚變有幾個(gè)方面比核裂變優(yōu)越：其一，聚變產(chǎn)物是穩(wěn)定的氦核，沒(méi)有放射性污染產(chǎn)生，沒(méi)有難于處理的廢料；其二，聚變?cè)想馁Y源比較豐富，在海水中氘和氫之比為1.5×10^-4∶1，地球上海水總量約為10^18噸，其中蘊(yùn)藏著大量的氘，提煉氘比提煉鈾容易得多。遺憾的是這個(gè)聚變反應(yīng)需要非常高的溫度，以克服兩個(gè)帶正電的氘核之間的巨大排斥力（從理論計(jì)算，要克服這種庫(kù)侖斥力需要10^9℃的高溫）。氫彈的制造原理，就是利用一個(gè)小的原子彈作為引爆裝置，產(chǎn)生瞬間高溫引發(fā)上述聚變反應(yīng)發(fā)生強(qiáng)烈爆炸。氫元素的幾種同位素之間能發(fā)生多種聚變反應(yīng)，這種變化過(guò)程存在于宇宙之間，太陽(yáng)輻射出來(lái)的巨大能量就來(lái)源于這類(lèi)核聚變。但我們目前尚沒(méi)有辦法在地球上利用這類(lèi)核聚變發(fā)電，怎樣能取得這樣高的溫度？用什么材料制造反應(yīng)器？怎樣控制聚變過(guò)程等各種問(wèn)題尚無(wú)答案。 補(bǔ)充：我國(guó)核聚變裝置的最新消息： 新華網(wǎng)合肥9月28日電（記者喻菲蔡敏程士華）世界領(lǐng)先的中國(guó)新一代熱核聚變裝置EAST28日首次成功完成了放電實(shí)驗(yàn)，獲得電流200千安、時(shí)間接近3秒的高溫等離子體放電。 負(fù)責(zé)這一項(xiàng)目的中國(guó)科學(xué)院等離子體所所長(zhǎng)李建剛研究員在接受新華社記者采訪時(shí)說(shuō)，此次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了裝置內(nèi)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(shí)驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期效果。 工藝鑒定組專(zhuān)家、中科院基礎(chǔ)科學(xué)研究局金鐸研究員在實(shí)驗(yàn)后的新聞發(fā)布會(huì)上宣布，EAST通過(guò)國(guó)家“九五”大科學(xué)工程工藝鑒定。參與EAST研究合作的美國(guó)通用原子能公司蓋瑞·杰克遜博士說(shuō)：“EAST成為世界上第一個(gè)建成并真正運(yùn)行的全超導(dǎo)非圓截面核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，它將在未來(lái)10年內(nèi)保持世界先進(jìn)水平?！? 據(jù)了解，EAST裝置是中國(guó)耗時(shí)8年、耗資2億元人民幣自主設(shè)計(jì)、自主建造而成的。 記者在實(shí)驗(yàn)控制室看到，這個(gè)近似圓柱形的大型物體由特種無(wú)磁不銹鋼建成，高約12米、直徑約5米，據(jù)介紹其總重量達(dá)400噸。 李建剛研究員說(shuō)，與國(guó)際同類(lèi)實(shí)驗(yàn)裝置相比，EAST是使用資金最少、建設(shè)速度最快、投入運(yùn)行最早、運(yùn)行后獲得等離子放電最快的先進(jìn)核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。 “這意味著人類(lèi)在核聚能研究利用領(lǐng)域取得重大進(jìn)步，也標(biāo)志著中國(guó)在這一領(lǐng)域進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)水平”，李建剛說(shuō)。 人們認(rèn)識(shí)熱核聚變是從氫彈爆炸開(kāi)始的。氫彈爆炸時(shí)釋放出極大的能量，給人類(lèi)帶來(lái)的是災(zāi)難。而科學(xué)家們卻希望發(fā)明一種裝置，可以有效地控制“氫彈爆炸”的過(guò)程，讓能量持續(xù)穩(wěn)定的輸出，以解決人類(lèi)面臨的能源短缺危機(jī)。 美、法等國(guó)在20世紀(jì)80年代中期發(fā)起了耗資46億歐元的國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER）計(jì)劃，旨在建立世界上第一個(gè)受控?zé)岷司圩儗?shí)驗(yàn)反應(yīng)堆，為人類(lèi)輸送巨大的清潔能量。這一過(guò)程與太陽(yáng)產(chǎn)生能量的過(guò)程類(lèi)似，因此受控?zé)岷司圩儗?shí)驗(yàn)裝置也被俗稱(chēng)為“人造太陽(yáng)”。 中國(guó)于2003年加入ITER計(jì)劃。位于安徽合肥的中科院等離子體所是這個(gè)國(guó)際科技合作計(jì)劃的國(guó)內(nèi)主要承擔(dān)單位，其研究建設(shè)的EAST裝置穩(wěn)定放電能力為創(chuàng)記錄的1000秒，超過(guò)世界上所有正在建設(shè)的同類(lèi)裝置。 EAST大科學(xué)工程總經(jīng)理萬(wàn)元熙教授說(shuō)，與ITER相比，EAST在規(guī)模上小很多，但兩者都是全超導(dǎo)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(shù)基礎(chǔ)是相似的，而EAST至少比ITER早投入實(shí)驗(yàn)運(yùn)行10至15年。因此，無(wú)論從人才培養(yǎng)和奠定工程技術(shù)及物理基礎(chǔ)的角度上說(shuō)，EAST都將為ITER計(jì)劃做出重要的、實(shí)質(zhì)性的貢獻(xiàn)，并進(jìn)而為人類(lèi)開(kāi)發(fā)和最終使用核聚變能做出重要貢獻(xiàn)。 不過(guò)，萬(wàn)元熙研究員說(shuō)，雖然“人造太陽(yáng)”的奇觀在實(shí)驗(yàn)室中初現(xiàn)，但離真正的商業(yè)運(yùn)行還有相當(dāng)長(zhǎng)的距離，它所發(fā)出的電能在短時(shí)間內(nèi)還不可能進(jìn)入人們的家中。但他預(yù)測(cè)，根據(jù)目前世界各國(guó)的研究狀況，這一夢(mèng)想最快有可能在30－50年后實(shí)現(xiàn)。 萬(wàn)元熙說(shuō)，未來(lái)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的熱核聚堆用于商業(yè)運(yùn)行后，所產(chǎn)生的能量夠人類(lèi)用數(shù)億年乃至數(shù)十億年。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，核能將是繼石油、煤和天然氣之后的主要能源，人類(lèi)將從“石油文明”走向“核能文明” 聚變反應(yīng)到底是怎么進(jìn)行的？ 簡(jiǎn)單的回答:根據(jù)愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程E=mc2. 原子核發(fā)生聚變時(shí),有一部分質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量釋放出來(lái). 只要微量的質(zhì)量就可以轉(zhuǎn)化成很大的能量. 兩個(gè)輕的原子核相碰，可以形成一個(gè)原子核并釋放出能量，這就是聚變反應(yīng)，在這種反應(yīng)中所釋放的能量稱(chēng)聚變能。聚變能是核能利用的又一重要途徑。 最重要的聚變反應(yīng)有： 式中D是氘核(重氫)、T是氚核(超重氫)。以上兩組反應(yīng)總的效果是： 即每“燒’掉6個(gè)氘核共放出43．24MeV能量，相當(dāng)于每個(gè)核子平均放出3．6MeV。它比n＋裂變反應(yīng)中每個(gè)核子平均放出200／236＝0．85MeV高4倍。因此聚變能是比裂變能更為巨大的一種核能。 核聚變能利用的燃料是氘(D)和氚。氘在海水中大量存在。海水中大約每600個(gè)氫原子中就有一個(gè)氘原子，海水中氘的總量約40萬(wàn)億噸。每升海水中所含的氘完全聚變所釋放的聚變能相當(dāng)于300升汽油燃料的能量。按目前世界消耗的能量計(jì)算，海水中氘的聚變能可用幾百億年。氚可以有鋰制造。鋰主要有鋰-6和鋰-7兩種同位素。鋰-6吸收一個(gè)熱中子后，可以變成氚并放出能量。鋰-7要吸收快中子才能變成氚。地球上鋰的儲(chǔ)量雖比氘少得多，也有兩千多億噸。用它來(lái)制造氚，足夠用到人類(lèi)使用氘、氘聚變的年代。因此，核聚變能是一種取之不盡用之不竭的新能源。 在可以預(yù)見(jiàn)的地球上人類(lèi)生存的時(shí)間內(nèi)，水的氘，足以滿足人類(lèi)未來(lái)幾十億年對(duì)能源的需要。從這個(gè)意義上說(shuō)，地球上的聚變?nèi)剂?，?duì)于滿足未來(lái)的需要說(shuō)來(lái)，是無(wú)限豐富的，聚變能源的開(kāi)發(fā)，將“一勞永逸”地解決人類(lèi)的能源需要。六十多年來(lái)科學(xué)家們不懈的努力，已在這方面為人類(lèi)展現(xiàn)出美好的前景。 典型的聚變反應(yīng)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 后三個(gè)反應(yīng)的凈反應(yīng)是 521H—→42He+32He+11H+210n+2.48×107eV 即每5個(gè)21H聚變后放出2.48×107eV能量。 氘是相當(dāng)豐富的氫同位素，在海洋中每6500個(gè)氫原子就有1個(gè)氘原子，這意味著海洋是極大量氘的潛在來(lái)源。僅在1L海水中就有1.03×1022個(gè)氘原子，就是說(shuō)每1Km3海水中氘原子所具有的潛在能量相當(dāng)于燃燒13600億桶原油的能量，這個(gè)數(shù)字約為地球上蘊(yùn)藏的石油總儲(chǔ)量。 要使原子核之間發(fā)生聚變，必須使它們接近到飛米級(jí)。要達(dá)到這個(gè)距離，就要使核具有很大的動(dòng)能，以克服電荷間極大的斥力。要使核具有足夠的動(dòng)能，必須把它們加熱到很高的溫度（幾百萬(wàn)攝氏度以上）。因此，核聚變反應(yīng)又叫熱核反應(yīng)。原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫可引起熱核反應(yīng)，氫彈就是這樣爆炸的。 受控核聚變是等離子態(tài)的原子核在高溫下有控制地發(fā)生大量原子核聚變的反應(yīng)，同時(shí)釋放出能量。氘是最重要的聚變?nèi)剂?，海洋是氘的潛在?lái)源，一旦能實(shí)現(xiàn)以氘為基本燃料的受控核聚變，人們就幾乎擁有了取之不盡、用之不竭的能源。氫彈爆炸釋放出來(lái)的大量聚變能、原子彈爆炸釋放出來(lái)的大量裂變能，都是不可控制的。在第一顆原子彈爆炸后僅十多年，人們就找到控制裂變反應(yīng)的辦法，并建成了裂變電站。原以為氫彈炸爆后能建成聚變電站，但并不如此簡(jiǎn)單，即使在地球條件下能發(fā)生的聚變反應(yīng)： 31H+21H—→42He+10n+1.76×107eV 也只能在極高的溫度（＞4000℃）和足夠大的碰撞幾率條件下，才能大量發(fā)生。因此實(shí)際可作為能源使用的受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)，必須在產(chǎn)生并加熱等離子體到億萬(wàn)攝氏度高溫的同時(shí)，還要有效約束這一高溫等離子體。這就是近幾十年內(nèi)研究的難題和期望攻克的目標(biāo)。我國(guó)的中科院物理所、中科院等離子物理所、西南物理研究院在實(shí)驗(yàn)工程和理論研究各方面都做了許多的工作，也取得了許多重要的進(jìn)展。