核聚變能源利用技術(shù)的研究進(jìn)展及需解決的問題

核聚變能源利用技術(shù)的研究進(jìn)展及需解決的問題作者：電氣工程學(xué)院陳彥哲摘要隨著工業(yè)和現(xiàn)代社會(huì)的不斷發(fā)展，人類文明對(duì)于能源的需求日益增加。然而現(xiàn)有的石油、煤炭等不可再生能源的儲(chǔ)量有限，很快將無法再滿足人類的生存發(fā)展的需要。于是對(duì)于現(xiàn)有的核聚變能源利用技術(shù)進(jìn)行了調(diào)查。AbstractWiththedevelopingofindustryandmodernsociety,humancivilization’sdemandforenergyisincreasing.However,theexistingoil,coalandothernon-renewableenergyreservesarelimited,andsoonwillnolongerbeabletomeettheneedsofhumansurvivalanddevelopment.Soforexistingnuclearfusionenergytechnologieswereinvestigated關(guān)鍵字核聚變、能源利用、研究進(jìn)展引言隨著工業(yè)和現(xiàn)代社會(huì)的不斷發(fā)展，人類文明對(duì)于能源的需求日益增加。然而現(xiàn)有的石油、煤炭等不可再生能源的儲(chǔ)量有限，很快將無法再滿足人類的生存發(fā)展的需要。而新興能源中能產(chǎn)生巨大能量的核能可以作為人類未來的清潔能源。其中核聚變產(chǎn)生的能量較核裂變的更多而且核原料的獲取也更加容易。如何安全、高效、持續(xù)的利用核聚變的能量，成為了人類目前急需解決的問題。正文核聚變（nuclearfusion），又稱核融合、融合反應(yīng)或聚變反應(yīng)。核是指由質(zhì)量小的原子，主要是指氘或氚，在一定條件下，如超高溫和高壓，發(fā)生原子核互相聚合作用，生成新的質(zhì)量更重的原子核，并伴隨著巨大的能量釋放的一種核反應(yīng)形式。原子核中蘊(yùn)藏巨大的能量，原子核的變化往往伴隨著能量的釋放。核聚變是核裂變相反的核反應(yīng)形式。熱核反應(yīng)，或原子核的聚變反應(yīng)，是當(dāng)前很有前途的新能源。參與核反應(yīng)的氫原子核，如氕、氘、氚、鋰等從熱運(yùn)動(dòng)獲得必要的動(dòng)能而引起的聚變反應(yīng)。其中，核聚變又分為熱核反應(yīng)和冷核反應(yīng)兩種。熱核反應(yīng)是氫彈爆炸的基礎(chǔ)，可在瞬間產(chǎn)生大量熱能，但尚無法加以利用。如能使熱核反應(yīng)在一定約束區(qū)域內(nèi)，根據(jù)人們的意圖有控制地產(chǎn)生與進(jìn)行，即可實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷朔磻?yīng)。這正是在進(jìn)行試驗(yàn)研究的重大課題。受控?zé)岷朔磻?yīng)是聚變反應(yīng)堆的基礎(chǔ)。聚變反應(yīng)堆一旦成功，則可能向人類提供最清潔而又是取之不盡的能源。冷核聚變是指：在相對(duì)低溫，甚至是常溫下進(jìn)行的核聚變反應(yīng)，這種情況是針對(duì)自然界已知存在的熱核聚變，如恒星內(nèi)部熱核反應(yīng)。而提出的一種概念性“假設(shè)”，這種設(shè)想將極大的降低反應(yīng)要求，可以使用更普通而且簡(jiǎn)單的設(shè)備，同時(shí)也使聚核反應(yīng)更安全。如圖所示為氘、氚核聚變示意圖D（氘）和T（氚）聚變會(huì)產(chǎn)生大量的中子，而且攜帶有大量的能量，中子對(duì)于人體和生物都非常危險(xiǎn)。聚變反應(yīng)中子的麻煩之處在于中子可以跟反應(yīng)裝置的墻壁發(fā)生核反應(yīng)。用一段時(shí)間之后就必須更換，很費(fèi)錢。而且換下來的墻壁可能有放射性，成了核廢料。還有一個(gè)不好的因素是氚具有放射性，而且氚也可能跟墻壁反應(yīng)。氘氚聚變只能算”第一代”聚變，優(yōu)點(diǎn)是燃料便宜，缺點(diǎn)是有中子?！暗诙本圩兪请秃?反應(yīng)。這個(gè)反應(yīng)本身不產(chǎn)生中子，但其中既然有氘，氘氘反應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生中子，可是總量非常非常少。如果第一代電站必須遠(yuǎn)離鬧市區(qū)，第二代估計(jì)可以直接放在市中心。第三代”聚變是讓氦3跟氦3反應(yīng)。這種聚變完全不會(huì)產(chǎn)生中子。這個(gè)反應(yīng)堪稱終極聚變。建設(shè)了數(shù)個(gè)實(shí)驗(yàn)托卡馬克裝置——環(huán)流一號(hào)（HL-1）和CT-6，后來又建設(shè)了HT-6,HT-6B，以及改建了HL1M，新建了環(huán)流2號(hào)。有種說法，說中國(guó)的托卡馬克裝置研究是從俄羅斯贈(zèng)送設(shè)備開始的，這是不對(duì)的，HT6/HL1的建設(shè)都早于俄羅斯贈(zèng)送的HT-7系統(tǒng)。HT-7以前，中國(guó)的幾個(gè)設(shè)備都是普通的托卡馬克裝置，而俄羅斯贈(zèng)送的HT-7則是中國(guó)第一個(gè)“超脫卡馬克”裝置。什么是“超托卡馬克裝置”呢？回過頭來說，托卡馬克裝置的核心就是磁場(chǎng)，要產(chǎn)生磁場(chǎng)就要用線圈，就要通電，有線圈就有導(dǎo)線，有導(dǎo)線就有電阻。托卡馬克裝置越接近實(shí)用就要越強(qiáng)的磁場(chǎng)，就要給導(dǎo)線通過越大的電流，這個(gè)時(shí)候，導(dǎo)線里的電阻就出現(xiàn)了，電阻使得線圈的效率降低，同時(shí)限制通過大的電流，不能產(chǎn)生足夠的磁場(chǎng)。托卡馬克貌似走到了盡頭。幸好，超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展使得托卡馬克峰回路轉(zhuǎn)，只要把線圈做成超導(dǎo)體，理論上就可以解決大電流和損耗的問題，于是，使用超導(dǎo)線圈的托卡馬克裝置就誕生了，這就是超脫卡馬克。目前為止，世界上有4個(gè)國(guó)家有各自的大型超托卡馬克裝置，法國(guó)的Tore－Supra，俄羅斯的T-15，日本的JT-60U，和中國(guó)的EAST。除了EAST以外，其他四個(gè)大概都只能叫“準(zhǔn)超托卡馬克”，它們的水平線圈是超導(dǎo)的，垂直線圈則是常規(guī)的，因此還是會(huì)受到電阻的困擾。此外他們?nèi)齻€(gè)的線圈截面都是圓形的，而為了增加反應(yīng)體的容積，EAST則第一次嘗試做成了非圓型截面。此外，在建的還有德國(guó)的螺旋石-7，規(guī)模比EAST大，但是技術(shù)水平差不多。2005年正式確定的國(guó)際合作項(xiàng)目ITER，也就是國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆的縮寫，這個(gè)項(xiàng)目從1985年開始，由蘇聯(lián)、美國(guó)、日本和歐共同提出，目的是建立第一個(gè)試驗(yàn)用的聚變反應(yīng)堆。最初方案是2010年建成一個(gè)實(shí)驗(yàn)堆，實(shí)現(xiàn)1500兆瓦功率輸出，造價(jià)100億美元。沒想到因?yàn)楦鲊?guó)想法不同，蘇聯(lián)解體，加上技術(shù)手段的限制，一直到了2000年也沒有結(jié)果，其間美國(guó)中途退出，ITER出現(xiàn)胎死腹中的危險(xiǎn)。直到2003年，能源危機(jī)加劇，各國(guó)又重視起來，首先是中國(guó)宣布加入了ITER計(jì)劃，歐洲、日本和俄羅斯自然很高興，隨后美國(guó)宣布重返計(jì)劃。緊接著，韓國(guó)和印度也宣布加入。2005年ITER正式立項(xiàng)，地點(diǎn)在法國(guó)的卡達(dá)拉申，基本設(shè)計(jì)不變，力爭(zhēng)2015年前全面完成，造價(jià)120億美元，歐盟出40%，法、中、日、美各出10%，剩下的想讓別人平攤，韓國(guó)印度不干，力爭(zhēng)讓俄國(guó)也出10%，自己出5%，最終美、日、俄、中、韓、印各出約9%。ITER湊巧是拉丁語“道路”，可見大家對(duì)這個(gè)東西抱有多大的希望。很有可能，她就是人類解決能源問題的“道路”。如果ITER能成功，下一步就是利用ITER的技術(shù)，設(shè)計(jì)和建造示范商用堆，到那時(shí)，離真正的商業(yè)核聚變發(fā)電就不遠(yuǎn)了。但是ITER建設(shè)中，還有大量的技術(shù)問題需要解決，需要有一個(gè)原型可以參考，在此基礎(chǔ)上，各國(guó)的先進(jìn)超脫卡馬克裝置就成了設(shè)計(jì)ITER的藍(lán)本。ITER的研究遠(yuǎn)非一個(gè)托卡馬克裝置，它還有很多難題需要攻克，地雷戰(zhàn)里說“各村有各村的高招”，日本的外圍設(shè)備研究就遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在了其他國(guó)家前面，他們?cè)谕锌R克點(diǎn)火領(lǐng)域就很先進(jìn)，不用高壓變壓器，直接使用高頻電流制造核聚變點(diǎn)火的高溫等離子體電流，就已經(jīng)在日本試驗(yàn)成功了，大功率激光點(diǎn)火也接近完善。位于中國(guó)合肥的EAST，是目前為止，超托卡馬克反應(yīng)體部分，唯一能給ITER提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的裝置，他的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用的技術(shù)與規(guī)劃中的ITER完全一樣，沒有的僅僅是換能部分。EAST解決了幾個(gè)重要問題：第一次采用了非圓型垂直截面，目的是在不增加環(huán)形直徑的前提下增加反應(yīng)體的體積，提高磁場(chǎng)效率。第一次全部采用了液氦無損耗的超導(dǎo)體系。液氦是很貴的，只有在線圈材料上下功夫，盡量少用液氦，同時(shí)讓液氦可以循環(huán)使用，盡量減少損耗的系統(tǒng)才可能投入實(shí)用。此外，EAST還是世界上第一個(gè)具有主動(dòng)冷卻結(jié)構(gòu)的托卡馬克，它的第一壁是主動(dòng)冷卻的，連接的是一個(gè)大型冷卻塔，它的冷卻水可以保證在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后將反應(yīng)產(chǎn)生的熱量帶走，維持系統(tǒng)的溫度平衡，一方面是為真正實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的受控聚變邁出的重要一步，另一方面也是工程化的重要標(biāo)志——冷卻塔換成汽輪機(jī)是可以發(fā)電的。結(jié)合一些相關(guān)資料，世界這個(gè)領(lǐng)域普遍認(rèn)為EAST將是第一個(gè)能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的，Q值能達(dá)到1的托卡馬克裝置，當(dāng)然這可能還要1-2年的時(shí)間。就EAST來說，從某種意義上，它就是ITER主反應(yīng)體大約1/4的一個(gè)原型實(shí)驗(yàn)裝置。人類沒有被一個(gè)ITER限定死，很多可控核聚變領(lǐng)域的研究也層出不窮。前幾年出現(xiàn)了冷核聚變的說法，就是將氘化丙酮以一定的頻率進(jìn)行震動(dòng)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的微小氣泡里面產(chǎn)生了核聚變，但是目前看來，由于被認(rèn)為不可重現(xiàn)，缺乏理論依據(jù)，基本可以認(rèn)定是偽科學(xué)了。另外托克馬克也不都是環(huán)形的，長(zhǎng)徑比到一定程度，就出現(xiàn)了球形的裝置，造價(jià)低，有效截面大，很可能是未來的發(fā)展方向。此外，慣性約束核聚變也是一個(gè)很有前途的方向，實(shí)際上我認(rèn)為慣性約束的思想很聰明，它實(shí)際上就是用很多小型的非受控核聚變實(shí)現(xiàn)總體的受控核聚變，它的結(jié)構(gòu)要比磁性約束簡(jiǎn)單很多，它也是一個(gè)重點(diǎn)地研究領(lǐng)域，在新聞中看到的國(guó)內(nèi)的新型的大型激光器什么的，絕大多數(shù)是用于此。ITER計(jì)劃是目前全球規(guī)模最大、經(jīng)費(fèi)投入最多、影響最深遠(yuǎn)的重大國(guó)際科學(xué)工程之一，它吸引了世界主要國(guó)家的頂尖科學(xué)家。ITER計(jì)劃的實(shí)施結(jié)果將影響人類能否大規(guī)模地使用聚變能，從而從根本上解決能源問題的進(jìn)程。參與ITER計(jì)劃不僅使我國(guó)在核聚變能研究方面進(jìn)入世界最前沿，為我國(guó)自主地開展核聚變示范電站開發(fā)清潔高效的能源的研發(fā)奠定基礎(chǔ)，也將推動(dòng)我國(guó)核聚變科技整體水平的發(fā)展。2012年7月10日，中國(guó)可控核聚變實(shí)驗(yàn)裝置獲重大突破，遙遙領(lǐng)先世界。中科院等離子體物理研究所，東方超環(huán)（EAST）超導(dǎo)托卡馬克2012年物理實(shí)驗(yàn)順利結(jié)束。在長(zhǎng)達(dá)四個(gè)多月的實(shí)驗(yàn)期間，科學(xué)家們利用低雜波和離子回旋射頻波，實(shí)現(xiàn)多種模式的高約束等離子體、長(zhǎng)脈沖高約束放電，自主創(chuàng)新能力得到較大提高、獲得多項(xiàng)重大成果，創(chuàng)造了兩項(xiàng)托卡馬克運(yùn)行的世界記錄：獲得超過400秒的兩千萬度高參數(shù)偏濾器等離子體；獲得穩(wěn)定重復(fù)超過30秒的高約束等離子體放電。這分別是國(guó)際上最長(zhǎng)時(shí)間的高溫偏濾器等離子體放電、最長(zhǎng)時(shí)間的高約束等離子體放電，標(biāo)志著我國(guó)在穩(wěn)態(tài)高約束等離子體研究方面走在國(guó)際前列。結(jié)論目前核聚變技術(shù)是目前全球規(guī)模最大、經(jīng)費(fèi)投入最多、影響最深遠(yuǎn)的重大科研項(xiàng)目之一，其中所取得的進(jìn)展與記錄也不斷的在刷新。我國(guó)在此領(lǐng)域處于世界的第一集團(tuán)，獲得了國(guó)際上最長(zhǎng)時(shí)間的高溫偏濾器等離子體放電、最長(zhǎng)時(shí)間的高約束等離子體放電的兩項(xiàng)世界記錄。核聚變技術(shù)所面臨的主要問題，任然是在于如何能長(zhǎng)時(shí)間的保持等離子體的持續(xù)放電，穩(wěn)