核聚变能利用

/核聚变能利用1９９1年１１月９日，欧洲的科学家在英国首次成功地进行了实验室里的受控热核聚变反应试验，从而揭开了核聚变能利用的序幕。核能是指由原子核的链式反应所产生的能量。它有两种来源：一种是由重原子核裂变释放出来的；一种是由轻原子核聚变产生出来的.核聚变是两个或两个以上的较轻原子核(如氢的两种重同位素氘和氚）在超高温等特定条件下聚合成一个较重的原子核时释放出巨大能量的反应。因为这种反应必须在极高的温度下才能进行，所以又叫热核反应.据计算.每千克核燃料完全裂变可以放出93.6万亿焦的热量，相当于3２0０吨标准煤燃烧放出的热量。而每千克热核聚变燃料聚变放出的热量是核裂变所释放能量的４倍.可见核聚变能是一种崭新的能源。核聚变的原料主要是氢、氘和氚.氘也叫重氢,氚也叫作超重氢,都是氢的同位素。１0００克海水中含有０.0３４克氘,通过热核反应产生的热量相当于300升汽油燃烧时释放的能量，核能技术的发展，已经历了两代,现已进入第三代。第一代核能技术是热中子链式反应堆。它是利用核燃料铀2３５和热中子（即速度每秒约为2２00米的中子)相遇发生裂变,放出能量。世界上现有的核电站，尽管堆型有多种,但绝大多数都是这种反应堆。第二代核能技术是利用快中子来维持裂变的快中子反应堆。它的效率较高，可利用天然铀中所含能量的70%（轻水堆不到1％），可利用多余的中子来增殖,但是要用金属钠或气体氦来做冷却和载热剂。它还能利用浓缩铀后的剩余物作燃料，使铀成为一种取之不尽的能源。这种反应堆在总体上目前仍处于试验阶段，估计还要1０~2０年才能广泛应用。第三代核能技术就是通常所说的受控热核反应堆。它是利用氢的同位素（氘、氚）聚合成氦而放出能量的反应.这些同位素存在于海水中，几乎是用之不竭的.地球上的汪洋大海里有２３.４万亿吨氘,足够人类使用几十亿年,是一项无穷无尽的持久能源。人类一旦掌握受控热核反应这一新能源技术,必将引起人类能源构成的根本变化。海上..。。。。.。。。。。。。。。。。。。。.月球上。。。。..。。。.。。。.。。.。.。。。。。。。。。。。。..。。。。.氕<名〉piēﻫ

ﻫ原子质量为１的普通的轻氢同位素

氕piē氢的同位素之一，符号H.质量数1。它是氢的主要成分。ﻫﻫ氘＜名>dāoﻫ

氢的同位素，其原子量为普通轻氢的二倍,少量的存在于天然水中,用于核反应,并在化学和生物学的研究工作中作示踪原子

ﻫ氘dāo1。氢的同位素之一。符号冈或Dﻫﻫ氚<名〉chｕānﻫﻫ氢的放射性同位素,原子量为普通氢的三倍,半衰期12．５年，蜕变时放出β射线后形成质量数为三的氦.用中子轰击锂可产生氚ﻫﻫ氚chuān氢的同位素之一,即＂超重氢＂。符号T，质量数3。具有放射性。自然界中存在极微，从核反应制得。主要用于热核反应。核聚变

核聚变的定义：ﻫ核聚变是指由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下(如超高温和高压),发生原子核互相聚合作用,生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。原子核中蕴藏巨大的能量，原子核的变化(从一种原子核变化为另外一种原子核）往往伴随着能量的释放.如果是由重的原子核变化为轻的原子核，叫核裂变,如原子弹爆炸；如果是由轻的原子核变化为重的原子核,叫核聚变，如太阳发光发热的能量来源。

相比核裂变，核聚变几乎不会带来放射性污染等环境问题，而且其原料可直接取自海水中的氘,来源几乎取之不尽，是理想的能源方式。ﻫ

目前人类已经可以实现不受控制的核聚变，如氢弹的爆炸。但是要想能量可被人类有效利用,必须能够合理的控制核聚变的速度和规模，实现持续、平稳的能量输出.科学家正努力研究如何控制核聚变，但是现在看来还有很长的路要走。

目前主要的几种可控核聚变方式:ﻫﻫ超声波核聚变ﻫ

激光约束（惯性约束)核聚变

ﻫ磁约束核聚变（托卡马克）ﻫﻫ核聚变的另一定义ﻫﻫ比原子弹威力更大的核武器—氢弹,就是利用核聚变来发挥作用的。核聚变的过程与核裂变相反,是几个原子核聚合成一个原子核的过程。只有较轻的原子核才能发生核聚变，比如氢的同位素氘（dａo)、氚(chuan）等.核聚变也会放出巨大的能量,而且比核裂变放出的能量更大。太阳内部连续进行着氢聚变成氦过程，它的光和热就是由核聚变产生的。ﻫ

核聚变能释放出巨大的能量,但目前人们只能在氢弹爆炸的一瞬间实现非受控的人工核聚变。而要利用人工核聚变产生的巨大能量为人类服务，就必须使核聚变在人们的控制下进行，这就是受控核聚变.ﻫﻫ实现受控核聚变具有极其诱人的前景。不仅因为核聚变能放出巨大的能量,而且由于核聚变所需的原料—-氢的同位素氘可以从海水中提取。经过计算,１升海水中提取出的氘进行核聚变放出的能量相当于100升汽油燃烧释放的能量。全世界的海水几乎是“取之不尽”的，因此受控核聚变的研究成功将使人类摆脱能源危机的困扰。

但是人们现在还不能进行受控核聚变,这主要是因为进行核聚变需要的条件非常苛刻。发生核聚变需要在1亿度的高温下才能进行，因此又叫热核反应。可以想象，没有什么材料能经受得起1亿度的高温。此外还有许多难以想象的困难需要去克服。尽管存在着许多困难，人们经过不断研究已取得了可喜的进展。科学家们设计了许多巧妙的方法，如用强大的磁场来约束反应，用强大的激光来加热原子等。可以预计，人们最终将掌握控制核聚变的方法,让核聚变为人类服务.

ﻫ利用核能的最终目标是要实现受控核聚变.裂变时靠原子核分裂而释出能量.聚变时则由较轻的原子核聚合成较重的较重的原子核而释出能量。最常见的是由氢的同位素氘(读＂刀"，又叫重氢）和氚（读"川"，又叫超重氢)聚合成较重的原子核如氦而释出能量。核聚变较之核裂变有两个重大优点。一是地球上蕴藏的核聚变能远比核裂变能丰富得多.据测算，每升海水中含有0．0３克氘，所以地球上仅在海水中就有４5万亿吨氘。1升海水中所含的氘,经过核聚变可提供相当于300升汽油燃烧后释放出的能量。地球上蕴藏的核聚变能约为蕴藏的可进行核裂变元素所能释出的全部核裂变能的１000万倍,可以说是取之不竭的能源。至于氚，虽然自然界中不存在,但靠中子同锂作用可以产生，而海水中也含有大量锂.ﻫﻫ第二个优点是既干净又安全.因为它不会产生污染环境的放射性物质，所以是干净的。同时受控核聚变反应可在稀薄的气体中持续地稳定进行,所以是安全的。ﻫﻫ目前实现核聚变已有不少方法。最早的著名方法是”托卡马克"型磁场约束法.它是利用通过强大电流所产生的强大磁场，把等离子体约束在很小范围内以实现上述三个条件。虽然在实验室条件下已接近于成功，但要达到工业应用还差得远。按照目前技术水平,要建立托卡马克型核聚变装置,需要几千亿美元.ﻫ

另一种实现核聚变的方法是惯性约束法。惯性约束核聚变是把几毫克的氘和氚的混合气体或固体,装入直径约几毫米的小球内。从外面均匀射入激光束或粒子束,球面因吸收能量而向外蒸发，受它的反作用,球面内层向内挤压（反作用力是一种惯性力,靠它使气体约束,所以称为惯性约束），就像喷气飞机气体往后喷而推动飞机前飞一样，小球内气体受挤压而压力升高，并伴随着温度的急剧升高。当温度达到所需要的点火温度(大概需要几十亿度）时，小球内气体便发生爆炸,并产生大量热能。这种爆炸过程时间很短，只有几个皮秒（１皮等于1万亿分之一)。如每秒钟发生三四次这样的爆炸并且连续不断地进行下去,所释放出的能量就相当于百万千瓦级的发电站.ﻫ

原理上虽然就这么简单，但是现有的激光束或粒子束所能达到的功率,离需要的还差几十倍、甚至几百倍，加上其他种种技术上的问题,使惯性约束核聚变仍是可望而不可及的。

ﻫ尽管实现受控热核聚变仍有漫长艰难的路程需要我们征服,但其美好前景的巨大诱惑力，正吸引着各国科学家在奋力攀登。ﻫﻫ补充内容：ﻫ

每克氘聚变时所释放的能量为５。8×１0８ｋJ，大于每克Ｕ－23５裂变时所释放的能量（8．2×１０７KＪ）。从能源的角度考虑,核聚变有几个方面比核裂变优越：其一，聚变产物是稳定的氦核，没有放射性污染产生，没有难于处理的废料；其二，聚变原料氘的资源比较丰富，在海水中氘和氢之比为1。5×１0—4∶1，地球上海水总量约为1０18吨,其中蕴藏着大量的氘，提炼氘比提炼铀容易得多。遗憾的是这个聚变反应需要非常高的温度，以克服两个带正电的氘核之间的巨大排斥力（从理论计算,要克服这种库仑斥力需要109℃的高温)。氢弹的制造原理,就是利用一个小的原子弹作为引爆装置,产生瞬间高温引发上述聚变反应发生强烈爆炸。氢元素的几种同位素之间能发生多种聚变反应,这种变化过程存在于宇宙之间，太阳辐射出来的巨大能量就来源于这类核聚变.但我们目前尚没有办法在地球上利用这类核聚变发电,怎样能取得这样高的温度?用什么材料制造反应器?怎样控制聚变过程等各种问题尚无答案。ﻫﻫ补充:我国核聚变装置的最新消息:ﻫ新华网合肥9月２８日电（记者喻菲蔡敏程士华）世界领先的中国新一代热核聚变装置EAＳT２8日首次成功完成了放电实验，获得电流200千安、时间接近3秒的高温等离子体放电。

负责这一项目的中国科学院等离子体所所长李建刚研究员在接受新华社记者采访时说,此次实验实现了装置内部1亿度高温，等离子体建立、圆截面放电等各阶段的物理实验,达到了预期效果。

ﻫ工艺鉴定组专家、中科院基础科学研究局金铎研究员在实验后的新闻发布会上宣布，EAＳT通过国家“九五”大科学工程工艺鉴定.参与EASＴ研究合作的美国通用原子能公司盖瑞·杰克逊博士说:“ＥAST成为世界上第一个建成并真正运行的全超导非圆截面核聚变实验装置,它将在未来１0年内保持世界先进水平。”ﻫﻫ据了解，EＡST装置是中国耗时8年、耗资２亿元人民币自主设计、自主建造而成的.ﻫ

记者在实验控制室看到，这个近似圆柱形的大型物体由特种无磁不锈钢建成,高约１2米、直径约５米,据介绍其总重量达400吨。

ﻫ李建刚研究员说，与国际同类实验装置相比,ＥAST是使用资金最少、建设速度最快、投入运行最早、运行后获得等离子放电最快的先进核聚变实验装置。ﻫ

“这意味着人类在核聚能研究利用领域取得重大进步,也标志着中国在这一领域进入国际先进水平”,李建刚说.ﻫﻫ人们认识热核聚变是从氢弹爆炸开始的.氢弹爆炸时释放出极大的能量,给人类带来的是灾难。而科学家们却希望发明一种装置，可以有效地控制“氢弹爆炸"的过程，让能量持续稳定的输出,以解决人类面临的能源短缺危机。

美、法等国在20世纪80年代中期发起了耗资４6亿欧元的国际热核实验反应堆（IＴER）计划,旨在建立世界上第一个受控热核聚变实验反应堆，为人类输送巨大的清洁能量。这一过程与太阳产生能量的过程类似,因此受控热核聚变实验装置也被俗称为“人造太阳"。

ﻫ中国于20０3年加入ＩTER计划。位于安徽合肥的中科院等离子体所是这个国际科技合作计划的国内主要承担单位，其研究建设的EＡSＴ装置稳定放电能力为创记录的１0００秒，超过世界上所有正在建设的同类装置.ﻫ

EAＳT大科学工程总经理万元熙人造太阳所谓“人造太阳”，即先进超导托卡马克实验装置,也即国际热核聚变实验堆计划（ITＥＲ)建设工程，是当今世界迄今为止最大的热核聚变实验项目，旨在在地球上模拟太阳的核聚变,利用热核聚变为人类提供源源不断的清洁能源.核聚变能以氘氚为燃料,具有安全、洁净、资源无限3大优点，是最终解决我国乃至全人类能源问题的战略新能源。编辑本段中国的参与与研究EAST是先进超导托卡马克实验装置（ExpｅｒimｅntaｌAdvanceｄsuperｃonductinｇtoｋmａｋ）的英文缩写。委员会评估认为它将是世界上第一个同时具有全超导磁体和主动冷却结构的托卡马克，能实现稳态运行。委员会对工程进展速度、研制质量和对关键部件的测试，尤其是对全部由等离子体所自行研制的超导磁体，留下了非常深刻的印象。委员会强烈吁请中国科学院和国家科技部给予长期的、充足的、持续的支持。人们认识热核聚变是从氢弹爆炸开始的。氢弹爆炸时释放出极大的能量,给人类带来的是灾难。而科学家们却希望发明一种装置,可以有效地控制「氢弹爆炸」的过程，让能量持续稳定的输出。科学家们把这类装置比喻为「人造太阳」,因为它可以像太阳一样,为人类提供一种无限的、清洁的和安全的能源。中科院等离子体物理研究所研制的「EAST」装置就是这样的一种实验设备.据有关专家介绍，等离子体长时间稳定运行是实现控制核聚变的前提条件之一，但在目前世界上的「人造太阳」实验装置上，等离子体稳定运行的时间都很短，短的只有几秒钟，最长的也只有四分多钟,而「EAST」装置由于采用了先进的非圆切面和全超导技术，等离子体稳定运行的时间可达十六分钟，是迄今为止世界上能让等离子体运行时间最长的「人造太阳」实验装置。专家们认为，这一实验装置可为欧、美、日、中等七方正在谈判筹建中的「国际热核聚变实验堆」建设提供直接经验，并为未来聚变实验堆提供重要的工程和物理实验基础。中科院等离子体物理研究所所长李建刚说，虽然「人造太阳」的奇观在实验室中已经出现，但离真正的商业运行还有相当长的距离,「人造太阳」所发出的电能在短时间内还不可能进入人们的家中。但他预测，根据目前世界各国的研究状况，这一梦想最快有可能在五十年后实现。2000年１０月正式开工建设,国家投资1．65亿元。它是世界上第一个具有非圆截面的全超导托卡马克，该项目的科学目标旨在探索近堆芯条件下等离子体稳态运行模式，从而为未来稳态运行的先进托卡马克核聚变反应堆提供重要的工程技术和物理基础。中科院合肥研究院等离子体所的科研人员经过8年艰苦努力,于2０06年初成功进行了装置的工程联调，自２００6年9月起开始转入物理实验阶段,现已成功开展了两轮物理实验，在全超导磁体稳定运行条件下，获得了最大电流5０0千安、９秒重复放电、大拉长比偏滤器等离子体等多项实验成果。在经费有限、工程建设时间紧迫,特别是国内超导工业基础薄弱、缺乏相关技术储备的条件下，EAＳT团队完成了十几个子系统的研发,在大型超导磁体的设计、制造、性能测试、精密加工等方面取得了重大突破，除少量国内没有条件生产的,如超导线和低温阀门等材料和部件进口外,独立自主加工制造了超导托卡马克所有核心部件和绝大多数的关键设备,其自主研发部分大于９0%,实现了EAＳT装置的安装调试运行放电一次成功。该项目工程在建设过程中自主发展了65项关键技术和新技术，形成了一系列技术生长点，创造了多个国内乃至国际第一。如铠装电缆超导导体（CＩＣC)是EAST全超导托卡马克的最重要的核心部件,为了满足工程需要,等离子体所自主生产了EAST所需的总长度达35公里的大电流CＩＣC导体,这不但使中国的CＩCC制造技术处在世界先进行列，产量达世界第一,同时创造性地发展了无焊瘤管—管对接焊技术、薄壁焊缝超声波检测技术等一整套大型超导磁体制造工艺,全面提升了我国大型超导磁体设计、制造和综合实验测试能力.相关的设计理念和工艺技术创新还包括大型超导磁体的设计和制造、大规模超低温制冷技术、任意可控的急剧变化大电流设备技术等，这些都属国内首创并达到国际先进水平。EＡST装置的建设和投入运行为国内外聚变研究搭建起了一个重要的研究平台。目前，等离子体所已同中国科技大学、清华大学、核工业西南物理研究院等１６个大学、研究机构建立了20多个工作组，与国外1４个著名研究所签署了双边合作协议，联合科学家小组近40个,一个以我为主的国际合作局面初步形成。编辑本段原理受控热核聚变的条件是必须加热燃料到亿万度的高温，把燃料约束到一个局部的小空间中.什么物质的器皿能够盛装上亿度的高温燃料？这成为当前最主要的难题。耐火砖、不锈钢都不可行，必须采用特殊方式来约束聚变燃料.如果没有物质的器皿盛装上亿度高温的等离子体聚变燃料，可否用磁场构造一个磁的容器来盛装?这就产生了托卡马克这类磁约束聚变装置.使用这个装置，其外面大量的大线圈和磁体会产生一个环形的磁容器，在这个磁容器里面约束、加热聚变的燃料，让它发生聚变反应。过去的60年,近１00个大大小小的托克马克一点点地贡献了不同特点的技术，才使得我们敢于去建造越来越大的托克马克聚变装置。如何克服巨大的静电斥力将原子核聚到一起，还要将它们的密度维持在一定水平以防不安全的能量爆发(如氢弹就是不可控的核聚变）.前苏联科学家在20世纪50年代初率先提出磁约束的概念，并在1９54年建成了第一个磁约束装置—形如中空面包圈的环形容器“托克马克（Toｋamａk）”,又称环流器。一般情况下，在超过1０万摄氏度的磁场中,原子中的电子就脱离了原子核的束缚，形成等离子体。带电粒子会沿磁力线做螺旋式运动,所以等离子体就这样被约束在这种环形的磁场中,也叫磁笼。亿万年来，地球上的万物靠着太阳源源不断的能量维持自身的发展。在太阳的中心，温度高达１５00万摄氏度,气压达到3000多亿个大气压。在这样的高温高压条件下，氢原子核聚变成氦原子核,并放出大量能量。几十亿年来，太阳犹如一个巨大的核聚变反应装置，无休止地向外辐射着能量。核聚变能是两个较轻的原子核结合成一个较重的原子核时释放的能量，产生聚变的主要燃料之一是氢的同位素氘.氘广泛分布在水中，每升水约含3０毫克氘，通过聚变反应产生的能量相当于300升汽油的热能。采集氘并使之与相关物质聚变产生能量，就是“人造太阳”的原理。根据科学家的分析，如果我们未来能建成一座１00０兆瓦的核聚变电站,每年只需从海水中提取304公斤的氘就可产生1000兆瓦的电量.照此计算，地球上仅在海水中就含有４5万亿吨氘，足够人类使用上百亿年，比太阳的寿命还要长。未来的稳态运行的热核聚堆用于商业运行后，所产生的能量够人类用数亿年乃至数十亿年.从长远来看，核能将是继石油、煤和天然气之后的主要