在現(xiàn)有的科學框架內(nèi)，可控核聚變可以說是人類的終極能源湃彻，取之不盡托祖、用之不竭，同時具有清潔短酵、安全舟肉、環(huán)保的優(yōu)點，對人類社會的影響不亞于又一場工業(yè)革命查库。

——李正宏 中國工程物理研究院核物理與化學研究所研究員

核能核電系列報道①

◎李 迪 陳 科

3月13日路媚，中國自主三代核電技術“華龍一號”福清6號機組應急柴油發(fā)電機組啟動成功;此前，“華龍一號”全球首堆中核集團福清核電5號機組正式投入商業(yè)運行樊销，這標志著我國打破了國外核電技術壟斷整慎，正式進入核電技術先進國家行列。

從小小的原子核中迸發(fā)出的能量被人類寄予厚望围苫。這種能量從何而來?它與核武器中爆發(fā)出的能量有何異同?在將它變成人類終極能源之前裤园，我們還要邁過哪些技術難關?對此，科技日報記者采訪了相關專家剂府。

核電與核武器“師出同源”

提起核能拧揽，很多人的第一反應是威力巨大的核武器。“核武器主要分為核裂變武器與熱核武器兩種周循，其中核裂變武器俗稱原子彈强法，而熱核武器俗稱氫彈万俗。”中國工程物理研究院(以下簡稱中物院)核物理與化學研究所李正宏研究員介紹湾笛，相比于氫彈，原子彈采用的核裂變反應的引發(fā)較為容易辆泄，只需要達到臨界質(zhì)量即可蟋真。

氫彈的能量主要來自于輕核材料的原子核聚變，這種輕核材料是氫的同位素氘和氚铐坠。李正宏說：“相比于核裂變酷它，核聚變反應需要極高的溫度、壓力才能引發(fā)遂涛。熱核武器的技術難度遠大于核裂變武器悦阿，威力也相當驚人柄露，蘇聯(lián)設計的大伊萬氫彈的核爆當量達到了5800萬噸，是廣島原子彈的3800多倍丝板。”

可以看出窒汤，氫彈的威力遠大于原子彈。這是否與核裂變和核聚變截然不同的原理有關?

作為一種特殊的武器裝備吓篙，核武器的反應原理不會像一顆子彈那么簡單杉硅。中物院核物理與化學研究所黃洪文研究員介紹，在核裂變反應中深怕，重核原子(如鈾-235)經(jīng)中子撞擊后杏死，裂變成為兩個較輕的原子，同時釋放出數(shù)個中子捆交。釋放出的中子再去撞擊其它的重核原子淑翼，從而形成連鎖反應，使得裂變反應持續(xù)進行品追。

而在裂變反應中窒舟，通過吸收多余中子，維持中子數(shù)量平衡诵盼，裂變反應的速度能夠得到控制惠豺，核裂變能就可以穩(wěn)定釋放。目前核電站采用的就是這種技術风宁，“華龍一號”即為其代表洁墙。

黃洪文指出，與裂變反應不同的是戒财，在聚變反應中热监，兩個較輕的原子核直接碰撞、結(jié)合饮寞，形成一個較重的核(可能伴隨形成一個極輕的核)悬占。聚變反應的維持非常困難。

李正宏進一步解釋拜岂，由于原子核都帶有正電荷邓秕，只能利用極高的溫度、壓力才能克服原子核之間巨大的核力使得輕核結(jié)合庵偏。“在核聚變的引發(fā)和維持都非常困難的條件下轻江，目前只有氫彈實現(xiàn)了聚變能量釋放，而能夠?qū)崿F(xiàn)能量增益的可控核聚變?nèi)栽诔掷m(xù)研究中母掀。”

簡單來說挤帕，可控核聚變是指合理地控制核聚變的速度和規(guī)模，實現(xiàn)持續(xù)、平穩(wěn)的能量輸出贤泥。那么如何才能滿足聚變反應的多個條件?李正宏介紹液茧，首先必須提高物質(zhì)的溫度，使原子核和電子分開练缴，處于這種狀態(tài)的物質(zhì)稱為等離子體竣康，然后適當?shù)乜刂频入x子體的溫度、密度和封閉時間(維持時間)瓢谢。

“這三項條件缺一不可畸写，這其中等離子體的溫度需達到約1億攝氏度。這種高溫等離子的產(chǎn)生氓扛、維持以及與之相關的一系列工程問題也是目前可控核聚變實現(xiàn)的主要難點枯芬。”李正宏說。

困難與收益成正比

通過控制反應速度采郎，令人聞之色變的核能可以搖身一變千所，成為具有廣闊應用前景的新能源，服務于生活蒜埋。如今淫痰，作為一種清潔無污染的高效能源，核能早已成為太陽能整份、風能待错、地熱能、水能等受地域限制極為明顯的能源的重要補充烈评，顯示出強大的生命力火俄。通過核裂變反應進行的新型第三代、第四代核電站在安全性该捎、經(jīng)濟性等諸多方面取得了長足進步娇歹。在核裂變發(fā)電已經(jīng)取得良好應用成果的前提下，發(fā)展可控核聚變技術更是顯得困難重重枝扭，那么劣屑，研究可控核聚變的意義又在哪里?

可控核聚變反應的原料可直接取自海水，來源幾乎取之不盡;其安全性是核裂變反應堆無法相比的孵钱，只要不維持對等離子體的約束涮凡，聚變反應便會自動停止;核聚變產(chǎn)生的核廢料半衰期極短，因而核泄漏時總危害很低汤顷，其廠外只需將一公里內(nèi)的居民應急撤離氓愿，事故后短時間內(nèi)環(huán)境即可恢復正常。

“不僅如此递促，可控核聚變也是一種優(yōu)質(zhì)中子源，借此可以觸發(fā)核裂變。利用中子源觸發(fā)核裂變反應稱為次臨界核裂變送魁，次臨界核裂變不但安全性接近核聚變涉粘，且技術難度較純核聚變發(fā)電低，還可以處理核裂變發(fā)電生成的核廢料笨奠，使其半衰期由數(shù)萬年縮短為數(shù)百年袭蝗。”李正宏說。

相關專家表示般婆，關于可控核聚變的研究爭議有幾個方面到腥。有人認為其研制周期長、耗資巨大蔚袍，因此在石化能源充沛乡范，太陽能、風能等新能源發(fā)展迅猛的當代難以產(chǎn)生經(jīng)濟效益啤咽。

目前在建的最大的實驗型聚變裝置為法國南部的國際熱核聚變反應堆(ITER)晋辆。其項目的工程設計開始于1992年，隨后受設計變更宇整、成員國變更等因素影響瓶佳，直至去年7月28日才開始其托卡馬克裝置的安裝工程，引發(fā)了很多對可控核聚變的爭議鳞青。

“我國對可控核聚變的研究始于上世紀50年代霸饲，老一輩核物理學家倡導開展‘可控熱核反應’研究以來，中國核聚變研究沿著磁約束聚變和慣性約束聚變兩條技術路線展開键先。”李正宏介紹帝愉，60多年來，中國可控核聚變從無到有沈跷，從弱到強暖麻，取得跨越式發(fā)展，部分方向已經(jīng)實現(xiàn)國際引領亮铛。

可控核聚變或是人類終極能源

目前為止瘾手，最主要的幾種可控核聚變方式有磁約束核聚變、激光約束核聚變受卒、Z箍縮驅(qū)動的慣性約束聚變光拥。

磁約束核聚變中，科研人員首先利用加熱系統(tǒng)將聚變?nèi)剂霞訜嶂粮邷氐入x子體狀態(tài)筋蝴，然后利用磁場約束等離子中的帶電粒子厨摔，主要包括氘原子核、氚原子核和電子岛涝，帶電粒子會沿著磁場線螺旋運動脓杉，從而避免直接與外部的容器壁接觸，被磁場約束的等離子體將繼續(xù)升溫至超過1億攝氏度，直到引發(fā)核聚變反應球散。

激光約束核聚變是前面所提到的慣性約束聚變的一種尿赚，指利用激光的沖擊波使包含氘和氚的燃料球在瞬間達到極高的溫度和壓力，引發(fā)核聚變反應蕉堰。與持續(xù)穩(wěn)定運行的磁約束聚變的區(qū)別在于激光約束聚變以脈沖的形式運行凌净。

Z箍縮驅(qū)動的慣性約束聚變與激光約束聚變在聚變過程上有相似之處，不同之處在于屋讶，Z箍縮是利用沿軸向(也就是Z軸方向)的強大電流產(chǎn)生的自箍縮效應冰寻，對氘氚燃料球加熱、加壓皿渗，Z箍縮驅(qū)動的慣性約束聚變同樣以脈沖的形式運行斩芭。

大多數(shù)人都知道，常見的核聚變反應的原料是氫的同位素羹奉。“目前秒旋，氘和氚是核聚變的最佳燃料，其發(fā)生核聚變所需的溫度诀拭、壓力條件最容易滿足援丐，其中氘是氫的穩(wěn)定同位素，可以直接從海水中獲得传撰。”李正宏說苇给。

那么，為什么海水中能輕易獲得核反應原料氘距搂，但是氚的獲取難度卻相當高?

李正宏進一步解釋道北淘，氘是氫的穩(wěn)定同位素，包含1個質(zhì)子和一個中子恰磷，在海水中所有氫中的占比約為七千分之一玷源，其分離較為容易;而氚是氫的不穩(wěn)定同位素，包含1個質(zhì)子和2個中子熏屎，會自發(fā)衰變攀驶，每過12.43年就要減少一半，所以地球誕生之初所存在的氚早已衰變得無影無蹤京嗽。

實際上镰对，自然界中殘存的氚是宇宙射線的產(chǎn)物，全部含量只有幾千克墨叛，可以忽略不計止毕，聚變發(fā)電所需的氚只能通過核反應人工合成，最簡單的方式是利用鋰與中子反應生成氚漠趁，氘吸收中子也能生成氚扁凛。

“在現(xiàn)有的科學框架內(nèi)忍疾，可控核聚變可以說是人類的終極能源，取之不盡令漂、用之不竭膝昆，同時具有清潔丸边、安全叠必、環(huán)保的優(yōu)點，對人類社會的影響不亞于又一場工業(yè)革命妹窖。”李正宏表示纬朝。