核聚变将最终成为未来的能源吗?

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目前人类还没有掌握控制聚变过程的技术, 为此世界发达国家不断投入大量的人力、物力和财力进行核聚变能研究和开发。 然而, 可控核聚变的实现在工程上是非常困难的事情。 可控聚变反应和可控裂变反应的研究都是从20世纪50年代初开始的, 时至今日, 核裂变反应堆或发电厂早已普及, 而可控核聚变的和平利用却无一实现。 由欧盟、中国、美国、日本、韩国、俄罗斯和印度7方共同参与的, 为期30年, 耗资100亿欧元的国际热核聚变实验堆(international thermonuclear experimental reactor, ITER，图1)计划, 至今尚未取得获取聚变能的实质性成果。

图2显示的是几个聚变反应的反应几率(以截面为 单位)随入射粒子能量(以千电子伏特为单位)的关系。可以看出, 氘-氚聚变是最容易实现的, 也是以目前的技术水平来说最现实的选择。即便这样, 要实现聚变过程, 也需要把氘-氚混合气体(等离子体)的温度加热到上亿度, 并维持一定的等离子体密度足够的时间。但要维持这样高的温度, 靠普通的容器约束是无法进行的, 因此必须采用新方法。 几十年来对核聚变的研究, 主要沿着磁约束和惯性约束两大途径进行。

磁约束是利用强磁场对高温等离子体进行约束, 通过构造特殊的磁容器, 将聚变材料加热至数亿摄 氏度并维持一定的等离子体密度, 实现聚变。这一技 术方向的聚变能研究已经取得了重大进展, 其中以 托克马克类型的磁约束研究为典型代表, 达到了建 立像ITER这样的实验堆的阶段。

惯性约束与磁约束不同。惯性约束实际上对等 离子体不加约束, 而是利用粒子的惯性, 在它们来不 及散开之前就发生聚变反应, 以取得足够的能量。国 际上包括美国、法国、中国等在内的国家都在这方面 开展了许多工作。但是美国的国家点火装置(National Ignition Facility, NIF)目前没有达到预期的点火目 标, 一定程度上影响了人们对这一途径的信心, 而离 建造能够发电的电厂则有更遥远的路要走。

图2 常见的几个聚变反应截面

以目前人类的技术水平, 只能实现基于氘-氚聚 变的第一代聚变堆建设。虽然地球上的氘资源是“无 限”的, 但是却没有氚资源, 因此氚是靠中子与锂-6 (6Li)反应生产出来的,  这就涉

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