核聚變反(fan)應指在高溫、高壓和高密度的(de)(de)條件(jian)下,兩(liang)個質(zhi)(zhi)量較小的(de)(de)原子核結(jie)合成質(zhi)(zhi)量較大(da)的(de)(de)新(xin)核,反(fan)應的(de)(de)同(tong)時會釋放(fang)出巨(ju)大(da)能量。
例如(ru),氘核和(he)(he)氚核在一定(ding)條件下(如(ru)超高溫(wen)、高壓)可以聚(ju)(ju)變(bian)為氦核,在發生(sheng)(sheng)聚(ju)(ju)變(bian)反應的(de)同時,會釋放(fang)出巨大能量。核聚(ju)(ju)變(bian)反應所產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)能量比核裂變(bian)反應所產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)能量更大。太陽內(nei)部連續進行著氫聚(ju)(ju)變(bian)成氦的(de)過程,它的(de)光和(he)(he)熱就是(shi)由這(zhe)種(zhong)不斷(duan)的(de)核聚(ju)(ju)變(bian)反應產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)。
主要有(you)軍事用(yong)途(不(bu)受(shou)控(kong)制的(de)核(he)(he)聚(ju)變(bian))和(he)(he)民用(yong)發(fa)電(dian)(受(shou)控(kong)核(he)(he)聚(ju)變(bian))兩種。人(ren)(ren)類已經(jing)可(ke)以實(shi)現不(bu)受(shou)控(kong)制的(de)核(he)(he)聚(ju)變(bian),如氫彈(dan)的(de)爆炸。但是(shi)要想能(neng)量可(ke)被人(ren)(ren)類有(you)效利用(yong),必(bi)須能(neng)夠合理地控(kong)制核(he)(he)聚(ju)變(bian)的(de)速度(du)和(he)(he)規模,實(shi)現持(chi)續、平穩的(de)能(neng)量輸出。科(ke)學家正努力研究如何控(kong)制核(he)(he)聚(ju)變(bian)。
(一)聚變電廠
為了實現(xian)聚變(bian)的可(ke)控利用,科學家進行了多(duo)種嘗試,這些(xie)研究包括:
(1)托(tuo)(tuo)(tuo)卡(ka)(ka)馬(ma)克(ke):為實(shi)(shi)現磁(ci)力約(yue)束,需要一個(ge)能(neng)產生足夠強的(de)(de)環(huan)形磁(ci)場的(de)(de)裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)(zhi)(zhi),這種(zhong)裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)(zhi)(zhi)就(jiu)被稱作“托(tuo)(tuo)(tuo)卡(ka)(ka)馬(ma)克(ke)裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)(zhi)(zhi)”——TOKAMAK,即(ji)俄(e)語中由(you)“環(huan)形”、“真空(kong)”、“磁(ci)”、“線圈”單詞的(de)(de)首字母組成(cheng)的(de)(de)縮(suo)寫。早在(zai)(zai)1954年(nian)(nian),在(zai)(zai)原蘇(su)(su)聯(lian)庫(ku)爾恰托(tuo)(tuo)(tuo)夫原子能(neng)研究所建(jian)(jian)成(cheng)了(le)(le)(le)(le)(le)世界(jie)上第一個(ge)托(tuo)(tuo)(tuo)卡(ka)(ka)馬(ma)克(ke)裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)(zhi)(zhi)。當(dang)時的(de)(de)托(tuo)(tuo)(tuo)卡(ka)(ka)馬(ma)克(ke)裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)(zhi)(zhi)是(shi)個(ge)很(hen)不穩定的(de)(de)東西,搞了(le)(le)(le)(le)(le)十幾年(nian)(nian),也沒有得到能(neng)量(liang)輸(shu)出,直到1970年(nian)(nian),蘇(su)(su)聯(lian)才在(zai)(zai)改進了(le)(le)(le)(le)(le)很(hen)多(duo)(duo)次(ci)的(de)(de)托(tuo)(tuo)(tuo)卡(ka)(ka)馬(ma)克(ke)裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)(zhi)(zhi)上第一次(ci)獲得了(le)(le)(le)(le)(le)實(shi)(shi)際的(de)(de)能(neng)量(liang)輸(shu)出,這使得全世界(jie)看到了(le)(le)(le)(le)(le)希望,紛紛建(jian)(jian)設(she)起自(zi)己(ji)的(de)(de)大(da)(da)型托(tuo)(tuo)(tuo)卡(ka)(ka)馬(ma)克(ke)裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)(zhi)(zhi),歐洲建(jian)(jian)設(she)了(le)(le)(le)(le)(le)聯(lian)合環(huan)-JET,蘇(su)(su)聯(lian)建(jian)(jian)設(she)了(le)(le)(le)(le)(le)T20,日本的(de)(de)JT-60和美國(guo)的(de)(de)TFTR(托(tuo)(tuo)(tuo)卡(ka)(ka)馬(ma)克(ke)聚變(bian)實(shi)(shi)驗反(fan)應器的(de)(de)縮(suo)寫)。中國(guo)也不例外,在(zai)(zai)70年(nian)(nian)代就(jiu)建(jian)(jian)設(she)了(le)(le)(le)(le)(le)數個(ge)實(shi)(shi)驗托(tuo)(tuo)(tuo)卡(ka)(ka)馬(ma)克(ke)裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)(zhi)(zhi)——環(huan)流一號(HL-1)和CT-6,后來又建(jian)(jian)設(she)了(le)(le)(le)(le)(le)HT-6,HT-6B,以及(ji)改建(jian)(jian)了(le)(le)(le)(le)(le)HL1M,新建(jian)(jian)了(le)(le)(le)(le)(le)環(huan)流二號。此外,在(zai)(zai)建(jian)(jian)的(de)(de)還有德國(guo)的(de)(de)螺旋(xuan)石-7,規模比EAST大(da)(da),但是(shi)技術水平差(cha)不多(duo)(duo)。
(2)ITER:2005年正式確定的(de)國(guo)際合作項目ITER,也就是國(guo)際熱核實驗(yan)反應堆的(de)縮寫(xie),地點在(zai)法國(guo)的(de)卡達(da)拉奇,這個項目從1985年開始,由蘇聯、美國(guo)、日本和歐盟(meng)共同提出,目的(de)是建立第一個試驗(yan)用的(de)聚(ju)變反應堆。
(3)EAST:EAST位(wei)于中國合肥(fei),超托卡馬克(ke)反(fan)(fan)(fan)應(ying)體部分,唯一(yi)(yi)能(neng)給ITER提(ti)供實(shi)驗數據的(de)裝(zhuang)置(zhi),它的(de)結構和應(ying)用(yong)的(de)技術與(yu)規劃中的(de)ITER完全(quan)(quan)一(yi)(yi)樣,沒有的(de)僅僅是換能(neng)部分。EAST解決了幾個重要問題:第(di)一(yi)(yi)次采(cai)用(yong)了非圓形垂直截面,目的(de)是在(zai)不增(zeng)加(jia)環形直徑的(de)前提(ti)下增(zeng)加(jia)反(fan)(fan)(fan)應(ying)體的(de)體積,提(ti)高磁場效率。第(di)一(yi)(yi)次全(quan)(quan)部采(cai)用(yong)了液氦(hai)(hai)無損耗的(de)超導體系。液氦(hai)(hai)是很貴的(de),只有在(zai)線(xian)圈材料上下工(gong)(gong)夫,盡量少用(yong)液氦(hai)(hai),同時讓(rang)液氦(hai)(hai)可以(yi)循環使(shi)用(yong),盡量減(jian)少損耗的(de)系統才可能(neng)投入使(shi)用(yong)。此外,EAST還(huan)是世界上第(di)一(yi)(yi)個具有主(zhu)動冷(leng)卻(que)結構的(de)托卡馬克(ke),它的(de)第(di)一(yi)(yi)壁是主(zhu)動冷(leng)卻(que)的(de),連接的(de)是一(yi)(yi)個大型冷(leng)卻(que)塔,它的(de)冷(leng)卻(que)水(shui)可以(yi)保證在(zai)長時間運行后將反(fan)(fan)(fan)應(ying)產生的(de)熱量帶走,維持系統的(de)溫(wen)度平(ping)衡(heng),一(yi)(yi)方面是為真(zhen)正(zheng)實(shi)現穩定的(de)受(shou)控聚(ju)變邁出的(de)重要一(yi)(yi)步(bu),另(ling)一(yi)(yi)方面也是工(gong)(gong)程化的(de)重要標志——冷(leng)卻(que)塔換成汽輪機是可以(yi)發電的(de)。從某種意(yi)義(yi)上,它就是ITER主(zhu)反(fan)(fan)(fan)應(ying)體大約1/4的(de)一(yi)(yi)個原型實(shi)驗裝(zhuang)置(zhi)。
(二)氫彈
氫(qing)彈(dan)(dan)是(shi)利用(yong)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)彈(dan)(dan)爆(bao)炸的(de)(de)能(neng)量(liang)(liang)點燃氫(qing)的(de)(de)同位素(su)(su)氘、氚等(deng)質(zhi)量(liang)(liang)較輕(qing)的(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)的(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)核發生核聚(ju)變(bian)反應(熱核反應)并瞬時釋放出(chu)巨大能(neng)量(liang)(liang)的(de)(de)核武器,又稱聚(ju)變(bian)彈(dan)(dan)、熱核彈(dan)(dan)、熱核武器。氫(qing)彈(dan)(dan)的(de)(de)殺(sha)傷破壞(huai)因(yin)素(su)(su)與原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)彈(dan)(dan)相(xiang)同,但威(wei)力(li)(li)比(bi)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)彈(dan)(dan)大得多。原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)彈(dan)(dan)的(de)(de)威(wei)力(li)(li)通常(chang)為幾百至幾萬噸級TNT當(dang)量(liang)(liang),氫(qing)彈(dan)(dan)的(de)(de)威(wei)力(li)(li)則可大至幾千萬噸級TNT當(dang)量(liang)(liang)。還可通過設(she)計(ji)增強或(huo)減弱(ruo)其某些殺(sha)傷破壞(huai)因(yin)素(su)(su),其戰術技術性能(neng)比(bi)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)彈(dan)(dan)更好,用(yong)途也更廣泛,其爆(bao)炸中心溫(wen)度(du)可達3.5億攝氏(shi)度(du),遠遠高于太陽中心溫(wen)度(du)(約1 500萬攝氏(shi)度(du))。
1967年6月17日中(zhong)國(guo)(guo)自行設(she)計、制造(zao)的(de)第一顆(ke)氫(qing)彈在中(zhong)國(guo)(guo)西部地區上空試爆(bao)成(cheng)功,震驚世界的(de)蘑菇(gu)云(yun)異常炫目耀(yao)眼(yan)。氫(qing)彈的(de)爆(bao)炸成(cheng)功,使中(zhong)國(guo)(guo)真正跨入核大(da)國(guo)(guo)的(de)行列。
第一顆氫彈的(de)(de)爆炸成功,是中國(guo)(guo)核武器(qi)發展史上的(de)(de)又一次飛(fei)躍。它(ta)對于加強(qiang)中國(guo)(guo)的(de)(de)國(guo)(guo)防(fang)能(neng)力有(you)著極(ji)其(qi)重要的(de)(de)現實(shi)意義(yi)。中國(guo)(guo)擁有(you)了氫彈,對于提高中國(guo)(guo)的(de)(de)國(guo)(guo)際地位,維護(hu)世(shi)界和平和第三世(shi)界國(guo)(guo)家(jia)的(de)(de)利益,有(you)著戰略性(xing)的(de)(de)作用(yong)。
第一顆氫(qing)彈爆(bao)炸成(cheng)功后,中國政府(fu)再次鄭重聲明:“中國進行必要的(de)有限(xian)制的(de)核(he)(he)試驗,發展核(he)(he)武(wu)(wu)(wu)器(qi)(qi),完全是為了防御。其(qi)最終目的(de)是為了消(xiao)滅核(he)(he)武(wu)(wu)(wu)器(qi)(qi)。我們(men)再一次鄭重宣布,在任何時候,任何情(qing)況下,中國都不會首先使用核(he)(he)武(wu)(wu)(wu)器(qi)(qi)。我們(men)說的(de)話,從(cong)來是算數的(de)。中國人民和中國政府(fu)將(jiang)一如既往(wang)地繼(ji)續同(tong)全世(shi)界一切愛好和平的(de)人民和國家一道,共同(tong)努力,堅(jian)持斗爭,為完全禁止和徹底銷毀核(he)(he)武(wu)(wu)(wu)器(qi)(qi)的(de)崇高(gao)目標而(er)奮斗!”
聚(ju)變的(de)(de)(de)(de)應用(yong)主(zhu)要是核武器,和裂變一樣,和平利(li)用(yong)聚(ju)變能(neng)(neng)(neng)發(fa)電(dian)是科學家正在(zai)努力的(de)(de)(de)(de)方向(xiang)。裂變堆(dui)的(de)(de)(de)(de)核燃料(liao)有限,而且廢物處置問題(ti)相當麻煩,相比核裂變,核聚(ju)變幾(ji)(ji)乎不會帶來(lai)放(fang)(fang)射性污染等環(huan)(huan)境(jing)問題(ti),而且其原料(liao)可(ke)直接取(qu)自海(hai)水中(zhong)的(de)(de)(de)(de)氘,來(lai)源(yuan)幾(ji)(ji)乎取(qu)之不盡(jin),是認識到的(de)(de)(de)(de)可(ke)以最終解(jie)決人(ren)類社(she)會能(neng)(neng)(neng)源(yuan)問題(ti)和環(huan)(huan)境(jing)問題(ti)、推動人(ren)類社(she)會可(ke)持續(xu)發(fa)展的(de)(de)(de)(de)重要途(tu)徑之一。氘—氚(chuan)聚(ju)變反(fan)應將釋(shi)(shi)放(fang)(fang)巨大的(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang),一升(sheng)海(hai)水中(zhong)含30毫克氘,通(tong)過聚(ju)變反(fan)應可(ke)釋(shi)(shi)放(fang)(fang)出(chu)的(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)相當于300多(duo)(duo)升(sheng)汽油的(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)。要實(shi)現(xian)(xian)持續(xu)的(de)(de)(de)(de)輕核聚(ju)變反(fan)應,要求(qiu)相當苛(ke)刻,必須在(zai)超高(gao)溫和高(gao)壓(ya)的(de)(de)(de)(de)情(qing)況下發(fa)生(sheng),而且伴隨著巨大的(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)釋(shi)(shi)放(fang)(fang),溫度可(ke)達上億攝氏度,幾(ji)(ji)乎沒(mei)有任何材料(liao)可(ke)以承受。人(ren)類已經(jing)實(shi)現(xian)(xian)不受控制(zhi)的(de)(de)(de)(de)核聚(ju)變,如氫(qing)彈的(de)(de)(de)(de)爆(bao)炸(zha),但要想(xiang)有效(xiao)利(li)用(yong)核聚(ju)變釋(shi)(shi)放(fang)(fang)的(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang),必須合理(li)控制(zhi)核聚(ju)變的(de)(de)(de)(de)速(su)度和規模,實(shi)現(xian)(xian)持續(xu)、平穩的(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)輸(shu)出(chu)。為了(le)(le)早日能(neng)(neng)(neng)夠實(shi)現(xian)(xian)聚(ju)變能(neng)(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)可(ke)控釋(shi)(shi)放(fang)(fang),科學家進行了(le)(le)很多(duo)(duo)嘗試,提出(chu)了(le)(le)很多(duo)(duo)種解(jie)決方法。
(一)磁約束型核聚(ju)變
磁(ci)(ci)約(yue)束(shu)(shu)型聚(ju)(ju)變(bian)反應堆(dui)是(shi)(shi)用(yong)(yong)特殊形態(tai)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)場(chang)把氘、氚等(deng)輕原(yuan)(yuan)子(zi)核(he)和自由電(dian)子(zi)組(zu)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)、處于(yu)(yu)熱核(he)反應狀態(tai)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)超高(gao)溫等(deng)離(li)子(zi)體約(yue)束(shu)(shu)在(zai)有限的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)體積(ji)內,使(shi)它(ta)受控(kong)制地發生(sheng)大量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)子(zi)核(he)聚(ju)(ju)變(bian)反應,釋放出原(yuan)(yuan)子(zi)核(he)所(suo)蘊(yun)藏的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)能量(liang)。磁(ci)(ci)約(yue)束(shu)(shu)熱核(he)聚(ju)(ju)變(bian)是(shi)(shi)當前開發聚(ju)(ju)變(bian)能源(yuan)中(zhong)(zhong)(zhong)最有希望的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)途(tu)徑,在(zai)受控(kong)核(he)聚(ju)(ju)變(bian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)探(tan)索方面,已(yi)提出了(le)許多(duo)種(zhong)磁(ci)(ci)約(yue)束(shu)(shu)途(tu)徑,其(qi)中(zhong)(zhong)(zhong)環(huan)(huan)形磁(ci)(ci)約(yue)束(shu)(shu)裝置(托卡馬(ma)(ma)克(ke)(ke))是(shi)(shi)各個(ge)實驗方案中(zhong)(zhong)(zhong)最成(cheng)功的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)方法。托卡馬(ma)(ma)克(ke)(ke)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)中(zhong)(zhong)(zhong)央是(shi)(shi)一個(ge)環(huan)(huan)形的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)真(zhen)空室,外面纏繞(rao)著線圈,在(zai)通(tong)電(dian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)時候托卡馬(ma)(ma)克(ke)(ke)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)內部會產生(sheng)巨(ju)大的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)螺旋形磁(ci)(ci)場(chang),將其(qi)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)等(deng)離(li)子(zi)體加熱到(dao)(dao)很高(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)溫度,以(yi)達到(dao)(dao)核(he)聚(ju)(ju)變(bian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)。中(zhong)(zhong)(zhong)科院等(deng)離(li)子(zi)體所(suo)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)EAST采用(yong)(yong)世界上第(di)一個(ge)非圓截面全超導托卡馬(ma)(ma)克(ke)(ke),西南物理研究(jiu)院的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)中(zhong)(zhong)(zhong)國環(huan)(huan)流(liu)器一號以(yi)及(ji)國際熱核(he)聚(ju)(ju)變(bian)實驗堆(dui)(ITER)計劃也都采用(yong)(yong)托卡馬(ma)(ma)克(ke)(ke)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)理實現聚(ju)(ju)變(bian)能的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)可控(kong)釋放。磁(ci)(ci)約(yue)束(shu)(shu)設備比較大,但反應持續(xu)性能好,不需(xu)要反復(fu)點火,適合(he)作(zuo)為核(he)電(dian)廠、大型船(chuan)舶的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)供電(dian)系統,但其(qi)缺點在(zai)于(yu)(yu)開關火性能不佳(jia),靈活度不夠,而(er)且維持強磁(ci)(ci)場(chang)所(suo)需(xu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)能成(cheng)本也不低(di)。
(二)慣性(xing)約束型核聚(ju)變
慣(guan)性(xing)(xing)約(yue)(yue)(yue)束(shu)(shu)(shu)核聚(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)是把幾(ji)毫(hao)克的(de)氘和氚(chuan)的(de)混(hun)合氣(qi)(qi)體(ti)或固體(ti),裝入(ru)直(zhi)徑約(yue)(yue)(yue)幾(ji)毫(hao)米的(de)小(xiao)(xiao)球(qiu)內(nei)(nei)。從外(wai)面(mian)均勻射入(ru)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)束(shu)(shu)(shu)或粒(li)子(zi)束(shu)(shu)(shu),球(qiu)面(mian)因吸收能(neng)量(liang)(liang)(liang)而向(xiang)外(wai)蒸(zheng)發,受(shou)它(ta)的(de)反(fan)作用(yong)(yong),球(qiu)面(mian)內(nei)(nei)層(ceng)向(xiang)內(nei)(nei)擠(ji)壓(ya)(ya)(由(you)于(yu)(yu)(yu)粒(li)子(zi)的(de)慣(guan)性(xing)(xing)作用(yong)(yong)形成反(fan)作用(yong)(yong)力(li),靠它(ta)使氣(qi)(qi)體(ti)約(yue)(yue)(yue)束(shu)(shu)(shu),所以(yi)稱為(wei)(wei)(wei)慣(guan)性(xing)(xing)約(yue)(yue)(yue)束(shu)(shu)(shu)),小(xiao)(xiao)球(qiu)內(nei)(nei)氣(qi)(qi)體(ti)受(shou)擠(ji)壓(ya)(ya)而壓(ya)(ya)力(li)升高,并伴隨著(zhu)溫度(du)的(de)急(ji)劇升高。當溫度(du)達到(dao)所需(xu)(xu)要的(de)點(dian)火(huo)溫度(du)(大(da)概需(xu)(xu)要幾(ji)十億(yi)攝(she)氏(shi)度(du))時,小(xiao)(xiao)球(qiu)內(nei)(nei)氣(qi)(qi)體(ti)便發生(sheng)爆炸,并產生(sheng)大(da)量(liang)(liang)(liang)熱(re)能(neng)。這(zhe)種爆炸過程時間很短,只有幾(ji)個皮秒(miao)(1皮秒(miao)等(deng)(deng)于(yu)(yu)(yu)1萬億(yi)分(fen)之(zhi)一秒(miao))。如每秒(miao)鐘發生(sheng)三四次這(zhe)樣的(de)爆炸并且(qie)(qie)連續不(bu)斷地(di)進行下去,所釋放出的(de)能(neng)量(liang)(liang)(liang)就(jiu)相當于(yu)(yu)(yu)百萬千瓦級的(de)發電(dian)站。慣(guan)性(xing)(xing)約(yue)(yue)(yue)束(shu)(shu)(shu)中激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)約(yue)(yue)(yue)束(shu)(shu)(shu)技(ji)術(shu)最為(wei)(wei)(wei)成熟,這(zhe)主要是因為(wei)(wei)(wei)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)技(ji)術(shu)能(neng)產生(sheng)聚(ju)(ju)焦良好的(de)能(neng)量(liang)(liang)(liang)巨(ju)大(da)的(de)脈沖(chong)光(guang)(guang)(guang)束(shu)(shu)(shu),因此我國(guo)的(de)神光(guang)(guang)(guang)裝置以(yi)及美國(guo)的(de)國(guo)家點(dian)火(huo)裝置都采(cai)用(yong)(yong)這(zhe)種核聚(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)約(yue)(yue)(yue)束(shu)(shu)(shu)形式。另外(wai),中國(guo)工(gong)程物理研究院研制的(de)Z箍縮驅動聚(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)技(ji)術(shu)也(ye)屬于(yu)(yu)(yu)慣(guan)性(xing)(xing)約(yue)(yue)(yue)束(shu)(shu)(shu),它(ta)是利用(yong)(yong)脈沖(chong)功率技(ji)術(shu),創造大(da)電(dian)流從金屬套筒(后變(bian)(bian)(bian)(bian)為(wei)(wei)(wei)等(deng)(deng)離子(zi)體(ti))流過的(de)條件,產生(sheng)超強電(dian)磁內(nei)(nei)爆,使等(deng)(deng)離子(zi)體(ti)套筒獲得足夠的(de)內(nei)(nei)爆動能(neng),然(ran)后與聚(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)靶丸(wan)相互作用(yong)(yong),把動能(neng)變(bian)(bian)(bian)(bian)為(wei)(wei)(wei)輻射能(neng),近似球(qiu)對稱低壓(ya)(ya)縮熱(re)核燃(ran)(ran)料(liao),最終實(shi)現大(da)規(gui)模的(de)熱(re)核聚(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)。慣(guan)性(xing)(xing)約(yue)(yue)(yue)束(shu)(shu)(shu)的(de)好處在于(yu)(yu)(yu)設(she)備可以(yi)做小(xiao)(xiao),而且(qie)(qie)開(kai)、關(guan)火(huo)控制性(xing)(xing)能(neng)也(ye)比較(jiao)好,適合在未(wei)來用(yong)(yong)于(yu)(yu)(yu)飛(fei)行器等(deng)(deng)領域,但其缺點(dian)是需(xu)(xu)要消(xiao)耗大(da)量(liang)(liang)(liang)能(neng)源產生(sheng)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)用(yong)(yong)來點(dian)火(huo),而且(qie)(qie)燃(ran)(ran)料(liao)靶丸(wan)制造成本也(ye)很高。
(三(san))聚裂變(bian)混合堆(dui)
聚(ju)(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)技(ji)術(shu),包括進展得(de)(de)(de)比(bi)較快的(de)(de)(de)(de)(de)托(tuo)(tuo)卡(ka)馬克(ke),為(wei)了(le)(le)獲得(de)(de)(de)有(you)益的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)量輸出(chu),要(yao)求(qiu)聚(ju)(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)產(chan)生的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)量,遠大于(yu)為(wei)創(chuang)造實現聚(ju)(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)的(de)(de)(de)(de)(de)條(tiao)件(jian)而消(xiao)耗(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)量,距(ju)離商(shang)業應用(yong)還有(you)相當一段(duan)距(ju)離。而聚(ju)(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)裂(lie)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)混(hun)(hun)(hun)合堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)只要(yao)求(qiu)聚(ju)(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)產(chan)生的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)量與消(xiao)耗(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)量差不多相等(deng)就可(ke)(ke)以了(le)(le),因(yin)而它對聚(ju)(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)的(de)(de)(de)(de)(de)要(yao)求(qiu)比(bi)純聚(ju)(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)容易些(xie),是(shi)(shi)實現聚(ju)(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)能(neng)(neng)商(shang)業應用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)捷徑。所(suo)謂聚(ju)(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)裂(lie)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)混(hun)(hun)(hun)合堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)就是(shi)(shi)利(li)用(yong)聚(ju)(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)反應產(chan)生的(de)(de)(de)(de)(de)中子,在(zai)聚(ju)(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)反應室外的(de)(de)(de)(de)(de)鈾(you)(you)-238、釷-232包層中,生產(chan)钚-239或(huo)鈾(you)(you)-233等(deng)核燃料(liao),同(tong)時釋放出(chu)裂(lie)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)能(neng)(neng)。從能(neng)(neng)量得(de)(de)(de)失來看,聚(ju)(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)裂(lie)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)混(hun)(hun)(hun)合堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)利(li)用(yong)裂(lie)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)倍增了(le)(le)聚(ju)(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)能(neng)(neng),其(qi)值可(ke)(ke)達(da)一個數量級,因(yin)此聚(ju)(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)芯只要(yao)接近或(huo)達(da)到能(neng)(neng)量得(de)(de)(de)失相當,就有(you)建造的(de)(de)(de)(de)(de)意義。在(zai)混(hun)(hun)(hun)合堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)中,聚(ju)(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)要(yao)不斷加(jia)料(liao)才得(de)(de)(de)以維持,而裂(lie)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)處(chu)于(yu)次(ci)臨界狀(zhuang)態,不存(cun)在(zai)超臨界等(deng)安全問題。當前一些(xie)大型(xing)(xing)托(tuo)(tuo)卡(ka)馬克(ke)裝置已達(da)到混(hun)(hun)(hun)合堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)的(de)(de)(de)(de)(de)聚(ju)(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)芯要(yao)求(qiu),而裂(lie)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)是(shi)(shi)成熟技(ji)術(shu)可(ke)(ke)以直(zhi)接采(cai)用(yong)。混(hun)(hun)(hun)合堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)減輕了(le)(le)對材料(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)要(yao)求(qiu),是(shi)(shi)純聚(ju)(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)商(shang)用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)過渡堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)型(xing)(xing)。
(四)核爆(bao)聚變電廠
所謂核(he)爆(bao)(bao)(bao)(bao)聚變電(dian)廠(chang)就是(shi)利用聚變裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)(zhi)爆(bao)(bao)(bao)(bao)炸(zha)(zha)(zha)(zha)釋(shi)放的(de)(de)(de)(de)能(neng)量來發(fa)電(dian),聚變裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)設計(ji)原理和(he)氫彈基本相同(tong)。由于核(he)爆(bao)(bao)(bao)(bao)炸(zha)(zha)(zha)(zha)釋(shi)放的(de)(de)(de)(de)能(neng)量是(shi)瞬間的(de)(de)(de)(de),而且非常(chang)巨大(da),因此如(ru)何(he)將核(he)爆(bao)(bao)(bao)(bao)炸(zha)(zha)(zha)(zha)的(de)(de)(de)(de)能(neng)量安全地轉化成可(ke)以利用的(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)能(neng)和(he)電(dian)能(neng),技術(shu)難(nan)度非常(chang)大(da)。在設想的(de)(de)(de)(de)電(dian)廠(chang)當(dang)中(zhong)(zhong),核(he)裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)(zhi)在一(yi)(yi)個巨大(da)的(de)(de)(de)(de)洞(dong)(dong)室(shi)中(zhong)(zhong)爆(bao)(bao)(bao)(bao)炸(zha)(zha)(zha)(zha),爆(bao)(bao)(bao)(bao)炸(zha)(zha)(zha)(zha)之前(qian)往洞(dong)(dong)中(zhong)(zhong)噴液態金屬鈉,并使(shi)鈉在爆(bao)(bao)(bao)(bao)炸(zha)(zha)(zha)(zha)時刻在爆(bao)(bao)(bao)(bao)炸(zha)(zha)(zha)(zha)裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)周(zhou)圍(wei)形成一(yi)(yi)定的(de)(de)(de)(de)分布從而大(da)量吸收(shou)爆(bao)(bao)(bao)(bao)炸(zha)(zha)(zha)(zha)的(de)(de)(de)(de)能(neng)量,同(tong)時還可(ke)以有效降低爆(bao)(bao)(bao)(bao)炸(zha)(zha)(zha)(zha)沖擊(ji)對爆(bao)(bao)(bao)(bao)破洞(dong)(dong)壁(bi)的(de)(de)(de)(de)作用強(qiang)度。爆(bao)(bao)(bao)(bao)炸(zha)(zha)(zha)(zha)后,把加熱(re)(re)了(le)的(de)(de)(de)(de)鈉從洞(dong)(dong)中(zhong)(zhong)抽出,與(yu)電(dian)廠(chang)第(di)二回(hui)路形成熱(re)(re)交(jiao)換,從而發(fa)電(dian)。當(dang)然要實(shi)現核(he)爆(bao)(bao)(bao)(bao)聚變電(dian)廠(chang),還需要解決很多問題,例如(ru)核(he)燃料(liao)的(de)(de)(de)(de)生(sheng)產和(he)回(hui)收(shou)問題、安全地把核(he)爆(bao)(bao)(bao)(bao)炸(zha)(zha)(zha)(zha)能(neng)轉換為熱(re)(re)能(neng)和(he)電(dian)能(neng),同(tong)時還要大(da)幅減少工程(cheng)技術(shu)上的(de)(de)(de)(de)難(nan)度。
除了以上(shang)幾種(zhong)利用聚(ju)(ju)變(bian)(bian)能(neng)的方式,科(ke)學家還研究了重力(li)場(chang)約束型核(he)聚(ju)(ju)變(bian)(bian)、常溫(wen)核(he)聚(ju)(ju)變(bian)(bian)、L子催化核(he)聚(ju)(ju)變(bian)(bian)、超(chao)聲波核(he)聚(ju)(ju)變(bian)(bian)以及氣(qi)泡核(he)聚(ju)(ju)變(bian)(bian)等聚(ju)(ju)變(bian)(bian)方法,這(zhe)些都是人們(men)(men)試(shi)圖實現核(he)聚(ju)(ju)變(bian)(bian)受(shou)(shou)控(kong),實現能(neng)量持續平穩輸出的有力(li)嘗試(shi)。希(xi)望能(neng)夠通過人們(men)(men)的不斷努力(li),讓(rang)我(wo)們(men)(men)早日(ri)用上(shang)能(neng)量取之(zhi)不盡用之(zhi)不竭的人造(zao)“小太陽”,從(cong)而在享受(shou)(shou)現代(dai)科(ke)技帶來的舒適便利之(zhi)時,又采用清(qing)潔、安(an)全的能(neng)源而不污染環境。
實(shi)現受控熱核反應,使人(ren)類(lei)掌握聚變(bian)(bian)(bian)能,是(shi)科學上(shang)(shang)(shang)的(de)(de)(de)一(yi)個重大(da)課題。輕核的(de)(de)(de)聚變(bian)(bian)(bian)必須在高溫(wen)下才能有(you)效(xiao)地進(jin)行,溫(wen)度越(yue)高,反應的(de)(de)(de)概率越(yue)大(da)。對(dui)于最容(rong)易實(shi)現聚合的(de)(de)(de)氘氚反應,也需要(yao)一(yi)億開(kai)以(yi)上(shang)(shang)(shang)的(de)(de)(de)溫(wen)度條(tiao)(tiao)件(jian),此時燃料(氘氚混合物)早已變(bian)(bian)(bian)成完全電離的(de)(de)(de)物質第四(si)態——由電子(zi)和離子(zi)組(zu)成的(de)(de)(de)等(deng)(deng)離子(zi)體(ti)。為(wei)了產生足夠(gou)的(de)(de)(de)聚變(bian)(bian)(bian)能量(liang)以(yi)維(wei)持所需的(de)(de)(de)溫(wen)度,必須把這(zhe)種(zhong)等(deng)(deng)離子(zi)體(ti)足夠(gou)長(chang)時間地約(yue)(yue)束在特(te)定的(de)(de)(de)空間區域(yu)內。太陽靠它的(de)(de)(de)強引力(li)場保持住大(da)部分燃料不至于飛散(san),地球上(shang)(shang)(shang)可用(yong)的(de)(de)(de)約(yue)(yue)束方法,有(you)磁約(yue)(yue)束和慣性約(yue)(yue)束兩種(zhong),均在實(shi)驗(yan)研(yan)究(jiu)中。開(kai)發聚變(bian)(bian)(bian)能得難度很大(da),除了要(yao)達(da)到(dao)自持聚變(bian)(bian)(bian)反應所需的(de)(de)(de)密度、溫(wen)度和能量(liang)約(yue)(yue)束諸條(tiao)(tiao)件(jian)以(yi)外,工(gong)程上(shang)(shang)(shang)的(de)(de)(de)等(deng)(deng)離子(zi)體(ti)控制、耐輻照材料、遠距離維(wei)修等(deng)(deng)問題尚(shang)需進(jin)行很多研(yan)究(jiu)。
2006年11月21日(ri)。這是(shi)值(zhi)得記錄(lu)的日(ri)子。國際熱棱聚變(bian)實(shi)(shi)驗反應堆計(ji)劃協議(yi)在(zai)(zai)法國巴黎簽署。這是(shi)人類探索聚變(bian)能源開發的歷史性時刻。總投資100億歐元(yuan),實(shi)(shi)驗室(shi)建在(zai)(zai)法國;這是(shi)一(yi)次(ci)大型國際合(he)作,歐盟、中國、美國、日(ri)本、韓(han)國、俄羅斯和印度參加(jia),成(cheng)(cheng)果平(ping)等(deng)共(gong)享(xiang);計(ji)劃歷時35年(10年建成(cheng)(cheng),20年試驗運(yun)行,5年停運(yun)關(guan)閉);計(ji)劃新建一(yi)座(zuo)圓環型磁懸浮實(shi)(shi)驗室(shi)。把(ba)聚合(he)反應堆置于其中。該裝(zhuang)置可望在(zai)(zai)2020年完成(cheng)(cheng),預計(ji)到下半世(shi)紀可能實(shi)(shi)現聚變(bian)能商用示范裝(zhuang)置。
聚變(bian)(bian)能(neng)源比(bi)裂變(bian)(bian)反應堆的(de)優點是(shi):(1)裂變(bian)(bian)核燃料(liao)鈾和(he)釷的(de)儲量(liang)仍然(ran)有(you)限(xian),氘氚(chuan)聚變(bian)(bian)反應以(yi)海水中的(de)氘為燃料(liao),1L海水所含的(de)氘可釋放(fang)約7500MJ聚變(bian)(bian)能(neng),相當于(yu)230L汽油或250kg煤,可期望一勞永逸地(di)解(jie)決能(neng)源資源問(wen)題;(2)聚變(bian)(bian)核燃料(liao)價格便宜(yi),可使發電成本大(da)大(da)降低(di),促進經濟的(de)發展(zhan);(3)特(te)別安全(quan),不(bu)(bu)會發生(sheng)像裂變(bian)(bian)反應堆超臨界或燃料(liao)融化等(deng)事故,也(ye)沒有(you)裂變(bian)(bian)產(chan)物污(wu)(wu)染環境的(de)問(wen)題;(4)放(fang)射性廢物的(de)數量(liang)大(da)大(da)減(jian)少(shao),沒有(you)長壽命放(fang)射性核素,較易處置(zhi);(5)有(you)可能(neng)實現將等(deng)離(li)子體帶電粒子中的(de)能(neng)量(liang)直接轉變(bian)(bian)為動(dong)力(li),其熱(re)效率高達(da)90%,使熱(re)污(wu)(wu)染問(wen)題大(da)為減(jian)輕。此外,如同(tong)裂變(bian)(bian)堆,它也(ye)不(bu)(bu)產(chan)生(sheng)大(da)氣(qi)污(wu)(wu)染,不(bu)(bu)排(pai)放(fang)溫室氣(qi)體。