核聚变能源利用技术的研究进展及需解决的问题

核聚变能源利用技术的研究进展及需解决的问题作者：电气工程学院陈彦哲摘要随着工业和现代社会的不断发展，人类文明对于能源的需求日益增加。然而现有的石油、煤炭等不可再生能源的储量有限，很快将无法再满足人类的生存发展的需要。于是对于现有的核聚变能源利用技术进行了调查。AbstractWiththedevelopingofindustryandmodernsociety,humancivilization’sdemandforenergyisincreasing.However,theexistingoil,coalandothernon-renewableenergyreservesarelimited,andsoonwillnolongerbeabletomeettheneedsofhumansurvivalanddevelopment.Soforexistingnuclearfusionenergytechnologieswereinvestigated关键字核聚变、能源利用、研究进展引言随着工业和现代社会的不断发展，人类文明对于能源的需求日益增加。然而现有的石油、煤炭等不可再生能源的储量有限，很快将无法再满足人类的生存发展的需要。而新兴能源中能产生巨大能量的核能可以作为人类未来的清洁能源。其中核聚变产生的能量较核裂变的更多而且核原料的获取也更加容易。如何安全、高效、持续的利用核聚变的能量，成为了人类目前急需解决的问题。正文核聚变（nuclearfusion），又称核融合、融合反应或聚变反应。核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，原子核的变化往往伴随着能量的释放。核聚变是核裂变相反的核反应形式。热核反应，或原子核的聚变反应，是当前很有前途的新能源。参与核反应的氢原子核，如氕、氘、氚、锂等从热运动获得必要的动能而引起的聚变反应。其中，核聚变又分为热核反应和冷核反应两种。热核反应是氢弹爆炸的基础，可在瞬间产生大量热能，但尚无法加以利用。如能使热核反应在一定约束区域内，根据人们的意图有控制地产生与进行，即可实现受控热核反应。这正是在进行试验研究的重大课题。受控热核反应是聚变反应堆的基础。聚变反应堆一旦成功，则可能向人类提供最清洁而又是取之不尽的能源。冷核聚变是指：在相对低温，甚至是常温下进行的核聚变反应，这种情况是针对自然界已知存在的热核聚变，如恒星内部热核反应。而提出的一种概念性“假设”，这种设想将极大的降低反应要求，可以使用更普通而且简单的设备，同时也使聚核反应更安全。如图所示为氘、氚核聚变示意图D（氘）和T（氚）聚变会产生大量的中子，而且携带有大量的能量，中子对于人体和生物都非常危险。聚变反应中子的麻烦之处在于中子可以跟反应装置的墙壁发生核反应。用一段时间之后就必须更换，很费钱。而且换下来的墙壁可能有放射性，成了核废料。还有一个不好的因素是氚具有放射性，而且氚也可能跟墙壁反应。氘氚聚变只能算”第一代”聚变，优点是燃料便宜，缺点是有中子。“第二代”聚变是氘和氦3反应。这个反应本身不产生中子，但其中既然有氘，氘氘反应也会产生中子，可是总量非常非常少。如果第一代电站必须远离闹市区，第二代估计可以直接放在市中心。第三代”聚变是让氦3跟氦3反应。这种聚变完全不会产生中子。这个反应堪称终极聚变。建设了数个实验托卡马克装置——环流一号（HL-1）和CT-6，后来又建设了HT-6,HT-6B，以及改建了HL1M，新建了环流2号。有种说法，说中国的托卡马克装置研究是从俄罗斯赠送设备开始的，这是不对的，HT6/HL1的建设都早于俄罗斯赠送的HT-7系统。HT-7以前，中国的几个设备都是普通的托卡马克装置，而俄罗斯赠送的HT-7则是中国第一个“超脱卡马克”装置。什么是“超托卡马克装置”呢？回过头来说，托卡马克装置的核心就是磁场，要产生磁场就要用线圈，就要通电，有线圈就有导线，有导线就有电阻。托卡马克装置越接近实用就要越强的磁场，就要给导线通过越大的电流，这个时候，导线里的电阻就出现了，电阻使得线圈的效率降低，同时限制通过大的电流，不能产生足够的磁场。托卡马克貌似走到了尽头。幸好，超导技术的发展使得托卡马克峰回路转，只要把线圈做成超导体，理论上就可以解决大电流和损耗的问题，于是，使用超导线圈的托卡马克装置就诞生了，这就是超脱卡马克。目前为止，世界上有4个国家有各自的大型超托卡马克装置，法国的Tore－Supra，俄罗斯的T-15，日本的JT-60U，和中国的EAST。除了EAST以外，其他四个大概都只能叫“准超托卡马克”，它们的水平线圈是超导的，垂直线圈则是常规的，因此还是会受到电阻的困扰。此外他们三个的线圈截面都是圆形的，而为了增加反应体的容积，EAST则第一次尝试做成了非圆型截面。此外，在建的还有德国的螺旋石-7，规模比EAST大，但是技术水平差不多。2005年正式确定的国际合作项目ITER，也就是国际热核实验反应堆的缩写，这个项目从1985年开始，由苏联、美国、日本和欧共同提出，目的是建立第一个试验用的聚变反应堆。最初方案是2010年建成一个实验堆，实现1500兆瓦功率输出，造价100亿美元。没想到因为各国想法不同，苏联解体，加上技术手段的限制，一直到了2000年也没有结果，其间美国中途退出，ITER出现胎死腹中的危险。直到2003年，能源危机加剧，各国又重视起来，首先是中国宣布加入了ITER计划，欧洲、日本和俄罗斯自然很高兴，随后美国宣布重返计划。紧接着，韩国和印度也宣布加入。2005年ITER正式立项，地点在法国的卡达拉申，基本设计不变，力争2015年前全面完成，造价120亿美元，欧盟出40%，法、中、日、美各出10%，剩下的想让别人平摊，韩国印度不干，力争让俄国也出10%，自己出5%，最终美、日、俄、中、韩、印各出约9%。ITER凑巧是拉丁语“道路”，可见大家对这个东西抱有多大的希望。很有可能，她就是人类解决能源问题的“道路”。如果ITER能成功，下一步就是利用ITER的技术，设计和建造示范商用堆，到那时，离真正的商业核聚变发电就不远了。但是ITER建设中，还有大量的技术问题需要解决，需要有一个原型可以参考，在此基础上，各国的先进超脱卡马克装置就成了设计ITER的蓝本。ITER的研究远非一个托卡马克装置，它还有很多难题需要攻克，地雷战里说“各村有各村的高招”，日本的外围设备研究就远远走在了其他国家前面，他们在托卡马克点火领域就很先进，不用高压变压器，直接使用高频电流制造核聚变点火的高温等离子体电流，就已经在日本试验成功了，大功率激光点火也接近完善。位于中国合肥的EAST，是目前为止，超托卡马克反应体部分，唯一能给ITER提供实验数据的装置，他的结构和应用的技术与规划中的ITER完全一样，没有的仅仅是换能部分。EAST解决了几个重要问题：第一次采用了非圆型垂直截面，目的是在不增加环形直径的前提下增加反应体的体积，提高磁场效率。第一次全部采用了液氦无损耗的超导体系。液氦是很贵的，只有在线圈材料上下功夫，尽量少用液氦，同时让液氦可以循环使用，尽量减少损耗的系统才可能投入实用。此外，EAST还是世界上第一个具有主动冷却结构的托卡马克，它的第一壁是主动冷却的，连接的是一个大型冷却塔，它的冷却水可以保证在长时间运行后将反应产生的热量带走，维持系统的温度平衡，一方面是为真正实现稳定的受控聚变迈出的重要一步，另一方面也是工程化的重要标志——冷却塔换成汽轮机是可以发电的。结合一些相关资料，世界这个领域普遍认为EAST将是第一个能长时间稳定运行的，Q值能达到1的托卡马克装置，当然这可能还要1-2年的时间。就EAST来说，从某种意义上，它就是ITER主反应体大约1/4的一个原型实验装置。人类没有被一个ITER限定死，很多可控核聚变领域的研究也层出不穷。前几年出现了冷核聚变的说法，就是将氘化丙酮以一定的频率进行震动，发现产生的微小气泡里面产生了核聚变，但是目前看来，由于被认为不可重现，缺乏理论依据，基本可以认定是伪科学了。另外托克马克也不都是环形的，长径比到一定程度，就出现了球形的装置，造价低，有效截面大，很可能是未来的发展方向。此外，惯性约束核聚变也是一个很有前途的方向，实际上我认为惯性约束的思想很聪明，它实际上就是用很多小型的非受控核聚变实现总体的受控核聚变，它的结构要比磁性约束简单很多，它也是一个重点地研究领域，在新闻中看到的国内的新型的大型激光器什么的，绝大多数是用于此。ITER计划是目前全球规模最大、经费投入最多、影响最深远的重大国际科学工程之一，它吸引了世界主要国家的顶尖科学家。ITER计划的实施结果将影响人类能否大规模地使用聚变能，从而从根本上解决能源问题的进程。参与ITER计划不仅使我国在核聚变能研究方面进入世界最前沿，为我国自主地开展核聚变示范电站开发清洁高效的能源的研发奠定基础，也将推动我国核聚变科技整体水平的发展。2012年7月10日，中国可控核聚变实验装置获重大突破，遥遥领先世界。中科院等离子体物理研究所，东方超环（EAST）超导托卡马克2012年物理实验顺利结束。在长达四个多月的实验期间，科学家们利用低杂波和离子回旋射频波，实现多种模式的高约束等离子体、长脉冲高约束放电，自主创新能力得到较大提高、获得多项重大成果，创造了两项托卡马克运行的世界记录：获得超过400秒的两千万度高参数偏滤器等离子体；获得稳定重复超过30秒的高约束等离子体放电。这分别是国际上最长时间的高温偏滤器等离子体放电、最长时间的高约束等离子体放电，标志着我国在稳态高约束等离子体研究方面走在国际前列。结论目前核聚变技术是目前全球规模最大、经费投入最多、影响最深远的重大科研项目之一，其中所取得的进展与记录也不断的在刷新。我国在此领域处于世界的第一集团，获得了国际上最长时间的高温偏滤器等离子体放电、最长时间的高约束等离子体放电的两项世界记录。核聚变技术所面临的主要问题，任然是在于如何能长时间的保持等离子体的持续放电，稳