核(he)(he)聚變反(fan)應(ying)指在高(gao)溫、高(gao)壓(ya)和高(gao)密(mi)度(du)的條件下(xia),兩個質量(liang)較(jiao)小的原子核(he)(he)結合成質量(liang)較(jiao)大(da)的新核(he)(he),反(fan)應(ying)的同時(shi)會釋放出巨大(da)能量(liang)。
例如,氘核和(he)氚核在(zai)一定條件下(如超(chao)高溫、高壓)可以(yi)聚(ju)(ju)(ju)變為氦核,在(zai)發生(sheng)(sheng)聚(ju)(ju)(ju)變反(fan)應的(de)(de)(de)(de)同(tong)時,會(hui)釋放出巨大能(neng)量(liang)(liang)。核聚(ju)(ju)(ju)變反(fan)應所(suo)產生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)(de)能(neng)量(liang)(liang)比(bi)核裂變反(fan)應所(suo)產生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)(de)能(neng)量(liang)(liang)更大。太陽內部連續進行(xing)著氫(qing)聚(ju)(ju)(ju)變成氦的(de)(de)(de)(de)過程,它的(de)(de)(de)(de)光和(he)熱就是(shi)由這種不斷的(de)(de)(de)(de)核聚(ju)(ju)(ju)變反(fan)應產生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)(de)。
主要有軍(jun)事用(yong)(yong)途(不受控(kong)(kong)制的(de)核(he)(he)聚變)和民用(yong)(yong)發電(dian)(受控(kong)(kong)核(he)(he)聚變)兩種。人類(lei)已(yi)經可以(yi)實現(xian)不受控(kong)(kong)制的(de)核(he)(he)聚變,如氫(qing)彈的(de)爆炸。但(dan)是要想(xiang)能量可被人類(lei)有效(xiao)利用(yong)(yong),必須能夠合理地(di)控(kong)(kong)制核(he)(he)聚變的(de)速度和規模,實現(xian)持續、平穩的(de)能量輸出。科學家正努力研究如何控(kong)(kong)制核(he)(he)聚變。
(一)聚變電廠
為了(le)實現(xian)聚變的可(ke)控利用,科學家進行了(le)多種嘗試,這些研究包括:
(1)托(tuo)(tuo)卡馬(ma)(ma)(ma)(ma)克(ke)(ke):為實(shi)現磁(ci)力(li)約束,需要一(yi)(yi)個能產(chan)生足(zu)夠強的(de)(de)環形(xing)磁(ci)場的(de)(de)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)(zhuang)置,這種裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)(zhuang)置就被(bei)稱作“托(tuo)(tuo)卡馬(ma)(ma)(ma)(ma)克(ke)(ke)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)(zhuang)置”——TOKAMAK,即俄(e)語中(zhong)(zhong)由“環形(xing)”、“真空”、“磁(ci)”、“線圈”單詞(ci)的(de)(de)首字母組成的(de)(de)縮(suo)寫。早(zao)在1954年,在原(yuan)(yuan)蘇聯(lian)(lian)庫(ku)爾恰(qia)托(tuo)(tuo)夫原(yuan)(yuan)子能研究所建(jian)成了(le)(le)世(shi)界(jie)上第一(yi)(yi)個托(tuo)(tuo)卡馬(ma)(ma)(ma)(ma)克(ke)(ke)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)(zhuang)置。當時的(de)(de)托(tuo)(tuo)卡馬(ma)(ma)(ma)(ma)克(ke)(ke)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)(zhuang)置是(shi)個很不穩(wen)定的(de)(de)東(dong)西,搞了(le)(le)十幾年,也(ye)沒有(you)得到(dao)能量輸(shu)出(chu),直到(dao)1970年,蘇聯(lian)(lian)才在改進了(le)(le)很多(duo)次的(de)(de)托(tuo)(tuo)卡馬(ma)(ma)(ma)(ma)克(ke)(ke)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)(zhuang)置上第一(yi)(yi)次獲得了(le)(le)實(shi)際的(de)(de)能量輸(shu)出(chu),這使(shi)得全世(shi)界(jie)看到(dao)了(le)(le)希望(wang),紛紛建(jian)設起自己的(de)(de)大型托(tuo)(tuo)卡馬(ma)(ma)(ma)(ma)克(ke)(ke)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)(zhuang)置,歐洲(zhou)建(jian)設了(le)(le)聯(lian)(lian)合(he)環-JET,蘇聯(lian)(lian)建(jian)設了(le)(le)T20,日本的(de)(de)JT-60和美國的(de)(de)TFTR(托(tuo)(tuo)卡馬(ma)(ma)(ma)(ma)克(ke)(ke)聚變實(shi)驗反應器的(de)(de)縮(suo)寫)。中(zhong)(zhong)國也(ye)不例外,在70年代就建(jian)設了(le)(le)數(shu)個實(shi)驗托(tuo)(tuo)卡馬(ma)(ma)(ma)(ma)克(ke)(ke)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)(zhuang)置——環流(liu)一(yi)(yi)號(HL-1)和CT-6,后來(lai)又建(jian)設了(le)(le)HT-6,HT-6B,以及(ji)改建(jian)了(le)(le)HL1M,新(xin)建(jian)了(le)(le)環流(liu)二號。此外,在建(jian)的(de)(de)還有(you)德國的(de)(de)螺旋石-7,規模(mo)比(bi)EAST大,但是(shi)技術水(shui)平差不多(duo)。
(2)ITER:2005年(nian)正式確定的國際合作項目(mu)ITER,也就是(shi)國際熱核實驗(yan)反應(ying)(ying)堆的縮寫,地點在(zai)法國的卡達拉奇,這(zhe)個項目(mu)從(cong)1985年(nian)開始,由(you)蘇(su)聯、美國、日(ri)本和歐盟共(gong)同提(ti)出(chu),目(mu)的是(shi)建立第一個試驗(yan)用的聚變(bian)反應(ying)(ying)堆。
(3)EAST:EAST位(wei)于中國合(he)肥,超托卡(ka)馬(ma)(ma)克反應(ying)(ying)(ying)體(ti)部分(fen),唯一(yi)(yi)(yi)(yi)能給ITER提(ti)供實驗(yan)數據的(de)(de)(de)(de)裝置,它的(de)(de)(de)(de)結(jie)構和應(ying)(ying)(ying)用(yong)的(de)(de)(de)(de)技術(shu)與規劃中的(de)(de)(de)(de)ITER完(wan)全一(yi)(yi)(yi)(yi)樣,沒有(you)的(de)(de)(de)(de)僅僅是(shi)換能部分(fen)。EAST解決了(le)幾個(ge)重要(yao)(yao)問題:第(di)一(yi)(yi)(yi)(yi)次采用(yong)了(le)非圓(yuan)形(xing)垂直(zhi)截面(mian),目的(de)(de)(de)(de)是(shi)在(zai)不增加環(huan)形(xing)直(zhi)徑的(de)(de)(de)(de)前提(ti)下增加反應(ying)(ying)(ying)體(ti)的(de)(de)(de)(de)體(ti)積,提(ti)高磁場效率。第(di)一(yi)(yi)(yi)(yi)次全部采用(yong)了(le)液氦(hai)(hai)無(wu)損(sun)耗的(de)(de)(de)(de)超導體(ti)系。液氦(hai)(hai)是(shi)很貴的(de)(de)(de)(de),只有(you)在(zai)線圈材料上(shang)下工夫(fu),盡(jin)量(liang)少用(yong)液氦(hai)(hai),同時讓液氦(hai)(hai)可(ke)(ke)以循(xun)環(huan)使(shi)用(yong),盡(jin)量(liang)減少損(sun)耗的(de)(de)(de)(de)系統才可(ke)(ke)能投入使(shi)用(yong)。此外,EAST還是(shi)世界上(shang)第(di)一(yi)(yi)(yi)(yi)個(ge)具有(you)主動冷(leng)(leng)卻(que)(que)(que)(que)結(jie)構的(de)(de)(de)(de)托卡(ka)馬(ma)(ma)克,它的(de)(de)(de)(de)第(di)一(yi)(yi)(yi)(yi)壁是(shi)主動冷(leng)(leng)卻(que)(que)(que)(que)的(de)(de)(de)(de),連接的(de)(de)(de)(de)是(shi)一(yi)(yi)(yi)(yi)個(ge)大型冷(leng)(leng)卻(que)(que)(que)(que)塔,它的(de)(de)(de)(de)冷(leng)(leng)卻(que)(que)(que)(que)水(shui)可(ke)(ke)以保證在(zai)長(chang)時間運行后將(jiang)反應(ying)(ying)(ying)產(chan)生的(de)(de)(de)(de)熱(re)量(liang)帶走,維持系統的(de)(de)(de)(de)溫(wen)度平衡,一(yi)(yi)(yi)(yi)方面(mian)是(shi)為真正(zheng)實現穩定(ding)的(de)(de)(de)(de)受控聚(ju)變邁出的(de)(de)(de)(de)重要(yao)(yao)一(yi)(yi)(yi)(yi)步,另(ling)一(yi)(yi)(yi)(yi)方面(mian)也(ye)是(shi)工程(cheng)化的(de)(de)(de)(de)重要(yao)(yao)標(biao)志——冷(leng)(leng)卻(que)(que)(que)(que)塔換成汽輪機是(shi)可(ke)(ke)以發電的(de)(de)(de)(de)。從某(mou)種意(yi)義上(shang),它就(jiu)是(shi)ITER主反應(ying)(ying)(ying)體(ti)大約1/4的(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)(yi)(yi)個(ge)原型實驗(yan)裝置。
(二)氫彈
氫(qing)彈(dan)(dan)是利用原(yuan)子(zi)彈(dan)(dan)爆(bao)炸(zha)的(de)(de)能(neng)量(liang)點燃氫(qing)的(de)(de)同位素氘、氚等質量(liang)較輕的(de)(de)原(yuan)子(zi)的(de)(de)原(yuan)子(zi)核(he)(he)發生核(he)(he)聚(ju)變反(fan)應(熱(re)核(he)(he)反(fan)應)并(bing)瞬時釋放出巨大能(neng)量(liang)的(de)(de)核(he)(he)武(wu)器,又稱聚(ju)變彈(dan)(dan)、熱(re)核(he)(he)彈(dan)(dan)、熱(re)核(he)(he)武(wu)器。氫(qing)彈(dan)(dan)的(de)(de)殺傷(shang)破壞因素與(yu)原(yuan)子(zi)彈(dan)(dan)相同,但威(wei)力比原(yuan)子(zi)彈(dan)(dan)大得多。原(yuan)子(zi)彈(dan)(dan)的(de)(de)威(wei)力通常為幾(ji)百至(zhi)幾(ji)萬(wan)(wan)噸(dun)級TNT當量(liang),氫(qing)彈(dan)(dan)的(de)(de)威(wei)力則可大至(zhi)幾(ji)千萬(wan)(wan)噸(dun)級TNT當量(liang)。還可通過設(she)計增強或減弱其某些殺傷(shang)破壞因素,其戰術(shu)(shu)技術(shu)(shu)性能(neng)比原(yuan)子(zi)彈(dan)(dan)更好,用途也更廣(guang)泛,其爆(bao)炸(zha)中心溫(wen)度(du)(du)可達3.5億攝(she)氏度(du)(du),遠(yuan)遠(yuan)高于(yu)太陽中心溫(wen)度(du)(du)(約1 500萬(wan)(wan)攝(she)氏度(du)(du))。
1967年(nian)6月(yue)17日(ri)中國(guo)自(zi)行設計、制造的第一顆(ke)氫(qing)彈在中國(guo)西部地區上(shang)空試爆(bao)成(cheng)(cheng)功,震驚世界的蘑菇云(yun)異常炫(xuan)目耀眼(yan)。氫(qing)彈的爆(bao)炸成(cheng)(cheng)功,使中國(guo)真正跨入(ru)核大國(guo)的行列(lie)。
第一顆氫彈的(de)爆炸成(cheng)功,是中國(guo)(guo)核武器(qi)發(fa)展史上的(de)又一次(ci)飛(fei)躍。它(ta)對(dui)于加強中國(guo)(guo)的(de)國(guo)(guo)防能力有(you)著極其(qi)重(zhong)要的(de)現實意義。中國(guo)(guo)擁有(you)了氫彈,對(dui)于提高中國(guo)(guo)的(de)國(guo)(guo)際(ji)地(di)位,維護世(shi)界(jie)和(he)平(ping)和(he)第三世(shi)界(jie)國(guo)(guo)家的(de)利益,有(you)著戰略性的(de)作用(yong)。
第一顆氫彈(dan)爆炸成功后,中國(guo)(guo)政(zheng)府再(zai)次鄭(zheng)重(zhong)聲明:“中國(guo)(guo)進行必要的(de)有限制的(de)核(he)試驗,發展核(he)武(wu)器,完全是為(wei)了防(fang)御。其最終目的(de)是為(wei)了消滅核(he)武(wu)器。我們(men)(men)再(zai)一次鄭(zheng)重(zhong)宣布,在(zai)任何時候,任何情(qing)況下,中國(guo)(guo)都不會(hui)首(shou)先使用核(he)武(wu)器。我們(men)(men)說的(de)話,從來是算數的(de)。中國(guo)(guo)人民和(he)中國(guo)(guo)政(zheng)府將一如既往地繼續同全世界一切愛好和(he)平的(de)人民和(he)國(guo)(guo)家一道,共同努力,堅持斗(dou)爭,為(wei)完全禁止(zhi)和(he)徹底銷(xiao)毀(hui)核(he)武(wu)器的(de)崇高目標而奮(fen)斗(dou)!”
聚(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)的(de)(de)(de)應(ying)用主要(yao)(yao)(yao)是(shi)核(he)(he)武器,和(he)裂變(bian)(bian)(bian)(bian)一樣,和(he)平利用聚(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)能發(fa)電是(shi)科學家(jia)正在努(nu)力的(de)(de)(de)方(fang)向。裂變(bian)(bian)(bian)(bian)堆的(de)(de)(de)核(he)(he)燃料有(you)(you)限,而且廢物處置(zhi)問題(ti)相(xiang)當麻煩,相(xiang)比核(he)(he)裂變(bian)(bian)(bian)(bian),核(he)(he)聚(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)幾(ji)乎不(bu)會帶來放射性污染(ran)等環境問題(ti),而且其(qi)原料可(ke)(ke)直接(jie)取自海水中(zhong)的(de)(de)(de)氘(dao)(dao),來源(yuan)幾(ji)乎取之不(bu)盡,是(shi)認識到的(de)(de)(de)可(ke)(ke)以最終(zhong)解(jie)決人類社會能源(yuan)問題(ti)和(he)環境問題(ti)、推動人類社會可(ke)(ke)持(chi)(chi)續(xu)(xu)(xu)發(fa)展(zhan)的(de)(de)(de)重(zhong)要(yao)(yao)(yao)途徑之一。氘(dao)(dao)—氚聚(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)反應(ying)將釋(shi)放巨(ju)大(da)(da)的(de)(de)(de)能量(liang)(liang)(liang),一升海水中(zhong)含30毫(hao)克(ke)氘(dao)(dao),通過聚(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)反應(ying)可(ke)(ke)釋(shi)放出(chu)的(de)(de)(de)能量(liang)(liang)(liang)相(xiang)當于300多升汽(qi)油的(de)(de)(de)能量(liang)(liang)(liang)。要(yao)(yao)(yao)實(shi)現(xian)持(chi)(chi)續(xu)(xu)(xu)的(de)(de)(de)輕核(he)(he)聚(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)反應(ying),要(yao)(yao)(yao)求相(xiang)當苛刻(ke),必須在超高溫和(he)高壓(ya)的(de)(de)(de)情況(kuang)下發(fa)生,而且伴隨著巨(ju)大(da)(da)的(de)(de)(de)能量(liang)(liang)(liang)釋(shi)放,溫度可(ke)(ke)達上(shang)億攝氏(shi)度,幾(ji)乎沒有(you)(you)任何材料可(ke)(ke)以承受。人類已經實(shi)現(xian)不(bu)受控(kong)制的(de)(de)(de)核(he)(he)聚(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian),如氫彈的(de)(de)(de)爆炸,但要(yao)(yao)(yao)想有(you)(you)效利用核(he)(he)聚(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)釋(shi)放的(de)(de)(de)能量(liang)(liang)(liang),必須合(he)理控(kong)制核(he)(he)聚(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)的(de)(de)(de)速度和(he)規模,實(shi)現(xian)持(chi)(chi)續(xu)(xu)(xu)、平穩的(de)(de)(de)能量(liang)(liang)(liang)輸出(chu)。為了早日能夠實(shi)現(xian)聚(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)能的(de)(de)(de)可(ke)(ke)控(kong)釋(shi)放,科學家(jia)進(jin)行(xing)了很多嘗試(shi),提出(chu)了很多種(zhong)解(jie)決方(fang)法(fa)。
(一)磁約束型核(he)聚變
磁(ci)約(yue)束型(xing)聚(ju)(ju)變(bian)(bian)反(fan)(fan)應(ying)(ying)堆(dui)是用特殊形(xing)(xing)態的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)場把(ba)氘、氚等輕原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)核(he)(he)和自由電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)組(zu)成的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)、處于熱(re)(re)核(he)(he)反(fan)(fan)應(ying)(ying)狀態的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)超(chao)高(gao)溫等離(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)體(ti)約(yue)束在有限的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)體(ti)積內(nei),使它受控制地發生(sheng)大(da)量的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)核(he)(he)聚(ju)(ju)變(bian)(bian)反(fan)(fan)應(ying)(ying),釋放出原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)核(he)(he)所蘊藏的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)量。磁(ci)約(yue)束熱(re)(re)核(he)(he)聚(ju)(ju)變(bian)(bian)是當前開發聚(ju)(ju)變(bian)(bian)能(neng)源(yuan)中(zhong)最有希望的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)途(tu)徑(jing),在受控核(he)(he)聚(ju)(ju)變(bian)(bian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)探索方(fang)面(mian)(mian),已(yi)提出了(le)許多種磁(ci)約(yue)束途(tu)徑(jing),其中(zhong)環形(xing)(xing)磁(ci)約(yue)束裝(zhuang)置(托卡(ka)馬(ma)克(ke))是各個(ge)(ge)實驗(yan)方(fang)案中(zhong)最成功的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)法。托卡(ka)馬(ma)克(ke)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)中(zhong)央是一個(ge)(ge)環形(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)真空室,外面(mian)(mian)纏繞著線(xian)圈,在通電(dian)(dian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)時候(hou)托卡(ka)馬(ma)克(ke)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)內(nei)部(bu)會(hui)產生(sheng)巨大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)螺(luo)旋形(xing)(xing)磁(ci)場,將其中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)等離(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)體(ti)加熱(re)(re)到很(hen)高(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)溫度,以(yi)(yi)達(da)到核(he)(he)聚(ju)(ju)變(bian)(bian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)。中(zhong)科(ke)院等離(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)體(ti)所的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)EAST采用世界上(shang)第一個(ge)(ge)非圓(yuan)截面(mian)(mian)全超(chao)導托卡(ka)馬(ma)克(ke),西南物(wu)理研究院的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)中(zhong)國環流器(qi)一號以(yi)(yi)及國際熱(re)(re)核(he)(he)聚(ju)(ju)變(bian)(bian)實驗(yan)堆(dui)(ITER)計劃也(ye)都采用托卡(ka)馬(ma)克(ke)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)原(yuan)理實現聚(ju)(ju)變(bian)(bian)能(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)可控釋放。磁(ci)約(yue)束設備比較大(da),但反(fan)(fan)應(ying)(ying)持(chi)續性(xing)能(neng)好,不需(xu)要反(fan)(fan)復點(dian)火,適合作為(wei)核(he)(he)電(dian)(dian)廠、大(da)型(xing)船舶的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)供電(dian)(dian)系統,但其缺點(dian)在于開關火性(xing)能(neng)不佳,靈(ling)活度不夠,而且(qie)維持(chi)強磁(ci)場所需(xu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)能(neng)成本也(ye)不低(di)。
(二)慣性約束型核聚變
慣(guan)性約(yue)束(shu)核(he)聚變(bian)(bian)是(shi)把幾毫克(ke)的(de)(de)(de)(de)(de)氘和氚的(de)(de)(de)(de)(de)混合氣體(ti)(ti)(ti)或固體(ti)(ti)(ti),裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)入直徑約(yue)幾毫米的(de)(de)(de)(de)(de)小球(qiu)內(nei)(nei)。從外(wai)面(mian)均勻(yun)射入激光(guang)束(shu)或粒子(zi)束(shu),球(qiu)面(mian)因(yin)吸(xi)收能(neng)(neng)量(liang)而向外(wai)蒸發,受(shou)(shou)它的(de)(de)(de)(de)(de)反作(zuo)用(yong)(yong)(yong),球(qiu)面(mian)內(nei)(nei)層向內(nei)(nei)擠壓(由于(yu)(yu)粒子(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)慣(guan)性作(zuo)用(yong)(yong)(yong)形成(cheng)反作(zuo)用(yong)(yong)(yong)力(li),靠(kao)它使(shi)氣體(ti)(ti)(ti)約(yue)束(shu),所以稱為慣(guan)性約(yue)束(shu)),小球(qiu)內(nei)(nei)氣體(ti)(ti)(ti)受(shou)(shou)擠壓而壓力(li)升高,并(bing)伴隨(sui)著溫(wen)度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)急劇升高。當(dang)溫(wen)度(du)達到所需要(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)點火溫(wen)度(du)(大(da)概需要(yao)幾十(shi)億攝(she)氏度(du))時,小球(qiu)內(nei)(nei)氣體(ti)(ti)(ti)便發生(sheng)爆炸,并(bing)產(chan)生(sheng)大(da)量(liang)熱(re)(re)能(neng)(neng)。這(zhe)種爆炸過程時間很短,只有幾個(ge)皮秒(miao)(miao)(1皮秒(miao)(miao)等于(yu)(yu)1萬億分之(zhi)一秒(miao)(miao))。如每秒(miao)(miao)鐘發生(sheng)三(san)四次這(zhe)樣的(de)(de)(de)(de)(de)爆炸并(bing)且連續不斷地進行下去,所釋放出的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)量(liang)就相(xiang)(xiang)當(dang)于(yu)(yu)百萬千瓦級的(de)(de)(de)(de)(de)發電(dian)(dian)站。慣(guan)性約(yue)束(shu)中激光(guang)約(yue)束(shu)技術最(zui)為成(cheng)熟,這(zhe)主要(yao)是(shi)因(yin)為激光(guang)技術能(neng)(neng)產(chan)生(sheng)聚焦(jiao)良好(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)量(liang)巨大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)脈(mo)沖光(guang)束(shu),因(yin)此我國的(de)(de)(de)(de)(de)神光(guang)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)置(zhi)以及(ji)美國的(de)(de)(de)(de)(de)國家(jia)點火裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)置(zhi)都采用(yong)(yong)(yong)這(zhe)種核(he)聚變(bian)(bian)約(yue)束(shu)形式(shi)。另(ling)外(wai),中國工程物理(li)研(yan)究(jiu)院研(yan)制(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)Z箍縮驅動聚變(bian)(bian)技術也屬(shu)(shu)于(yu)(yu)慣(guan)性約(yue)束(shu),它是(shi)利(li)用(yong)(yong)(yong)脈(mo)沖功率技術,創造(zao)大(da)電(dian)(dian)流從金(jin)屬(shu)(shu)套筒(后變(bian)(bian)為等離子(zi)體(ti)(ti)(ti))流過的(de)(de)(de)(de)(de)條件,產(chan)生(sheng)超強電(dian)(dian)磁內(nei)(nei)爆,使(shi)等離子(zi)體(ti)(ti)(ti)套筒獲得足夠的(de)(de)(de)(de)(de)內(nei)(nei)爆動能(neng)(neng),然后與(yu)聚變(bian)(bian)靶丸相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)(yong),把動能(neng)(neng)變(bian)(bian)為輻(fu)射能(neng)(neng),近似球(qiu)對稱低(di)壓縮熱(re)(re)核(he)燃料(liao),最(zui)終(zhong)實(shi)現(xian)大(da)規模的(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)核(he)聚變(bian)(bian)。慣(guan)性約(yue)束(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)好(hao)處在于(yu)(yu)設備可以做小,而且開、關火控制(zhi)性能(neng)(neng)也比較好(hao),適合在未來(lai)用(yong)(yong)(yong)于(yu)(yu)飛行器等領(ling)域,但其(qi)缺點是(shi)需要(yao)消耗(hao)大(da)量(liang)能(neng)(neng)源產(chan)生(sheng)激光(guang)用(yong)(yong)(yong)來(lai)點火,而且燃料(liao)靶丸制(zhi)造(zao)成(cheng)本也很高。
(三)聚(ju)裂變混合堆
聚(ju)(ju)(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)技術,包括進展得(de)比較快的(de)(de)托卡馬克(ke),為了獲得(de)有益(yi)的(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)輸出(chu),要求聚(ju)(ju)(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)產(chan)生的(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang),遠大于為創造實(shi)現聚(ju)(ju)(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)的(de)(de)條件而消(xiao)耗的(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang),距(ju)離商業應用還有相當(dang)一(yi)段距(ju)離。而聚(ju)(ju)(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)裂(lie)變(bian)(bian)(bian)(bian)混合堆(dui)(dui)(dui)只(zhi)要求聚(ju)(ju)(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)產(chan)生的(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)與消(xiao)耗的(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)差不(bu)多相等(deng)就(jiu)可(ke)以了,因(yin)而它對(dui)聚(ju)(ju)(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)的(de)(de)要求比純聚(ju)(ju)(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)堆(dui)(dui)(dui)容易些(xie),是實(shi)現聚(ju)(ju)(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)能(neng)(neng)(neng)商業應用的(de)(de)捷徑。所謂聚(ju)(ju)(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)裂(lie)變(bian)(bian)(bian)(bian)混合堆(dui)(dui)(dui)就(jiu)是利用聚(ju)(ju)(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)反(fan)應產(chan)生的(de)(de)中子,在(zai)聚(ju)(ju)(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)反(fan)應室外的(de)(de)鈾(you)-238、釷-232包層中,生產(chan)钚-239或鈾(you)-233等(deng)核燃(ran)料,同時釋放出(chu)裂(lie)變(bian)(bian)(bian)(bian)能(neng)(neng)(neng)。從(cong)能(neng)(neng)(neng)量(liang)得(de)失(shi)來看(kan),聚(ju)(ju)(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)裂(lie)變(bian)(bian)(bian)(bian)混合堆(dui)(dui)(dui)利用裂(lie)變(bian)(bian)(bian)(bian)倍增(zeng)了聚(ju)(ju)(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)能(neng)(neng)(neng),其值可(ke)達(da)一(yi)個(ge)數量(liang)級,因(yin)此聚(ju)(ju)(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)堆(dui)(dui)(dui)芯(xin)只(zhi)要接近或達(da)到(dao)能(neng)(neng)(neng)量(liang)得(de)失(shi)相當(dang),就(jiu)有建造的(de)(de)意義(yi)。在(zai)混合堆(dui)(dui)(dui)中,聚(ju)(ju)(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)要不(bu)斷加料才得(de)以維持,而裂(lie)變(bian)(bian)(bian)(bian)處于次(ci)臨(lin)界狀(zhuang)態,不(bu)存(cun)在(zai)超臨(lin)界等(deng)安(an)全問題。當(dang)前一(yi)些(xie)大型托卡馬克(ke)裝置(zhi)已達(da)到(dao)混合堆(dui)(dui)(dui)的(de)(de)聚(ju)(ju)(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)堆(dui)(dui)(dui)芯(xin)要求,而裂(lie)變(bian)(bian)(bian)(bian)是成熟技術可(ke)以直(zhi)接采(cai)用。混合堆(dui)(dui)(dui)減輕了對(dui)材料的(de)(de)要求,是純聚(ju)(ju)(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)堆(dui)(dui)(dui)商用的(de)(de)過渡堆(dui)(dui)(dui)型。
(四)核爆聚變(bian)電廠(chang)
所謂核(he)爆(bao)(bao)(bao)(bao)聚(ju)變電(dian)廠(chang)就是利(li)用聚(ju)變裝置爆(bao)(bao)(bao)(bao)炸(zha)(zha)(zha)釋(shi)放的(de)(de)(de)能(neng)量(liang)來(lai)發電(dian),聚(ju)變裝置的(de)(de)(de)設計原理和氫(qing)彈基(ji)本相同。由于核(he)爆(bao)(bao)(bao)(bao)炸(zha)(zha)(zha)釋(shi)放的(de)(de)(de)能(neng)量(liang)是瞬(shun)間的(de)(de)(de),而且(qie)非(fei)常(chang)巨大,因(yin)此如(ru)何將核(he)爆(bao)(bao)(bao)(bao)炸(zha)(zha)(zha)的(de)(de)(de)能(neng)量(liang)安全(quan)地轉化成(cheng)可以(yi)(yi)利(li)用的(de)(de)(de)熱(re)能(neng)和電(dian)能(neng),技(ji)(ji)術難度(du)非(fei)常(chang)大。在(zai)(zai)設想(xiang)的(de)(de)(de)電(dian)廠(chang)當中(zhong)(zhong),核(he)裝置在(zai)(zai)一(yi)個(ge)巨大的(de)(de)(de)洞室(shi)中(zhong)(zhong)爆(bao)(bao)(bao)(bao)炸(zha)(zha)(zha),爆(bao)(bao)(bao)(bao)炸(zha)(zha)(zha)之前往(wang)洞中(zhong)(zhong)噴液態金屬鈉,并使鈉在(zai)(zai)爆(bao)(bao)(bao)(bao)炸(zha)(zha)(zha)時刻在(zai)(zai)爆(bao)(bao)(bao)(bao)炸(zha)(zha)(zha)裝置的(de)(de)(de)周圍形(xing)成(cheng)一(yi)定的(de)(de)(de)分布從而大量(liang)吸(xi)收爆(bao)(bao)(bao)(bao)炸(zha)(zha)(zha)的(de)(de)(de)能(neng)量(liang),同時還(huan)可以(yi)(yi)有效降低爆(bao)(bao)(bao)(bao)炸(zha)(zha)(zha)沖擊對爆(bao)(bao)(bao)(bao)破洞壁的(de)(de)(de)作用強度(du)。爆(bao)(bao)(bao)(bao)炸(zha)(zha)(zha)后(hou),把(ba)加熱(re)了的(de)(de)(de)鈉從洞中(zhong)(zhong)抽出,與電(dian)廠(chang)第二(er)回路形(xing)成(cheng)熱(re)交換,從而發電(dian)。當然要實(shi)現核(he)爆(bao)(bao)(bao)(bao)聚(ju)變電(dian)廠(chang),還(huan)需要解(jie)決很多問(wen)題(ti),例如(ru)核(he)燃料(liao)的(de)(de)(de)生(sheng)產和回收問(wen)題(ti)、安全(quan)地把(ba)核(he)爆(bao)(bao)(bao)(bao)炸(zha)(zha)(zha)能(neng)轉換為熱(re)能(neng)和電(dian)能(neng),同時還(huan)要大幅減少(shao)工程(cheng)技(ji)(ji)術上的(de)(de)(de)難度(du)。
除(chu)了以上幾種(zhong)利(li)(li)用(yong)聚(ju)變(bian)能(neng)的方(fang)式,科(ke)學家還研究了重力場約(yue)束型核(he)(he)聚(ju)變(bian)、常溫核(he)(he)聚(ju)變(bian)、L子催(cui)化核(he)(he)聚(ju)變(bian)、超聲波核(he)(he)聚(ju)變(bian)以及氣泡(pao)核(he)(he)聚(ju)變(bian)等聚(ju)變(bian)方(fang)法,這些都是人們試(shi)圖實現(xian)核(he)(he)聚(ju)變(bian)受控,實現(xian)能(neng)量持(chi)續(xu)平穩輸出的有力嘗試(shi)。希望能(neng)夠通過人們的不斷努力,讓(rang)我們早日用(yong)上能(neng)量取之(zhi)不盡用(yong)之(zhi)不竭的人造“小太陽(yang)”,從(cong)而(er)(er)在享受現(xian)代科(ke)技帶來的舒適便(bian)利(li)(li)之(zhi)時,又采用(yong)清潔、安全的能(neng)源而(er)(er)不污染環(huan)境。
實現受控熱(re)核反應(ying),使人類掌握(wo)聚變能,是(shi)科(ke)學(xue)上的(de)(de)(de)一個重大(da)課題。輕核的(de)(de)(de)聚變必須在高溫(wen)下(xia)才能有效(xiao)地進(jin)行(xing),溫(wen)度越高,反應(ying)的(de)(de)(de)概率越大(da)。對于最容(rong)易實現聚合的(de)(de)(de)氘(dao)氚反應(ying),也需(xu)要一億開以(yi)上的(de)(de)(de)溫(wen)度條件,此時(shi)燃料(氘(dao)氚混合物)早(zao)已變成(cheng)完全電(dian)離(li)的(de)(de)(de)物質第四態(tai)——由電(dian)子(zi)(zi)和離(li)子(zi)(zi)組成(cheng)的(de)(de)(de)等(deng)(deng)(deng)離(li)子(zi)(zi)體(ti)。為了產生(sheng)足夠的(de)(de)(de)聚變能量以(yi)維持(chi)所需(xu)的(de)(de)(de)溫(wen)度,必須把這種(zhong)等(deng)(deng)(deng)離(li)子(zi)(zi)體(ti)足夠長時(shi)間地約(yue)束(shu)在特定的(de)(de)(de)空間區域內。太陽靠它(ta)的(de)(de)(de)強引力場保持(chi)住大(da)部(bu)分燃料不(bu)至(zhi)于飛(fei)散,地球上可用的(de)(de)(de)約(yue)束(shu)方法,有磁約(yue)束(shu)和慣(guan)性約(yue)束(shu)兩(liang)種(zhong),均(jun)在實驗研(yan)究(jiu)中。開發聚變能得難度很大(da),除了要達到自持(chi)聚變反應(ying)所需(xu)的(de)(de)(de)密度、溫(wen)度和能量約(yue)束(shu)諸條件以(yi)外,工程上的(de)(de)(de)等(deng)(deng)(deng)離(li)子(zi)(zi)體(ti)控制(zhi)、耐輻照材(cai)料、遠距離(li)維修等(deng)(deng)(deng)問題尚需(xu)進(jin)行(xing)很多研(yan)究(jiu)。
2006年(nian)11月21日(ri)。這是(shi)(shi)值(zhi)得記錄的日(ri)子。國際(ji)熱棱(leng)聚變實驗(yan)反應堆計(ji)劃(hua)協議(yi)在(zai)(zai)法國巴黎簽署(shu)。這是(shi)(shi)人(ren)類探索聚變能(neng)源(yuan)開發的歷史性(xing)時刻。總投(tou)資100億歐元,實驗(yan)室(shi)建(jian)(jian)在(zai)(zai)法國;這是(shi)(shi)一次大型(xing)國際(ji)合(he)作,歐盟(meng)、中國、美國、日(ri)本、韓國、俄(e)羅斯和印度參加,成(cheng)果平(ping)等共享;計(ji)劃(hua)歷時35年(nian)(10年(nian)建(jian)(jian)成(cheng),20年(nian)試驗(yan)運(yun)行,5年(nian)停運(yun)關閉);計(ji)劃(hua)新建(jian)(jian)一座圓環型(xing)磁懸(xuan)浮實驗(yan)室(shi)。把聚合(he)反應堆置于其中。該裝(zhuang)置可望在(zai)(zai)2020年(nian)完成(cheng),預計(ji)到下半世紀可能(neng)實現聚變能(neng)商用示范裝(zhuang)置。
聚變(bian)(bian)(bian)能(neng)源(yuan)比裂(lie)變(bian)(bian)(bian)反應堆(dui)的(de)優點是:(1)裂(lie)變(bian)(bian)(bian)核燃(ran)料(liao)(liao)鈾和釷的(de)儲量(liang)仍然有限,氘(dao)(dao)氚聚變(bian)(bian)(bian)反應以海水(shui)中的(de)氘(dao)(dao)為燃(ran)料(liao)(liao),1L海水(shui)所含的(de)氘(dao)(dao)可釋放(fang)約7500MJ聚變(bian)(bian)(bian)能(neng),相當于230L汽油或(huo)250kg煤(mei),可期望一勞永(yong)逸地(di)解決能(neng)源(yuan)資源(yuan)問題(ti);(2)聚變(bian)(bian)(bian)核燃(ran)料(liao)(liao)價(jia)格便宜,可使發(fa)電成本大(da)大(da)降低,促進經濟的(de)發(fa)展;(3)特(te)別安(an)全,不(bu)會發(fa)生像裂(lie)變(bian)(bian)(bian)反應堆(dui)超臨界(jie)或(huo)燃(ran)料(liao)(liao)融化等事故,也(ye)沒(mei)有裂(lie)變(bian)(bian)(bian)產物(wu)污(wu)染環境的(de)問題(ti);(4)放(fang)射(she)性廢物(wu)的(de)數量(liang)大(da)大(da)減少,沒(mei)有長壽命(ming)放(fang)射(she)性核素,較易(yi)處(chu)置;(5)有可能(neng)實現將等離子(zi)體帶(dai)電粒(li)子(zi)中的(de)能(neng)量(liang)直接轉變(bian)(bian)(bian)為動力,其熱效率高達90%,使熱污(wu)染問題(ti)大(da)為減輕。此(ci)外(wai),如同裂(lie)變(bian)(bian)(bian)堆(dui),它也(ye)不(bu)產生大(da)氣污(wu)染,不(bu)排放(fang)溫室氣體。