聚变原理

中核院士

聚变原理

　　当两个轻原子核结合成一个较重的原子核时，也会释放能量。我们称这种结合为聚变，放出的能量称为聚变能。在人工控制下的聚变为受控聚变，在受控聚变的情况下释放能量的装置，称为聚变反应堆或聚变堆。

　　研究表明，中等质量的元素，例如铁附近的元素，无论裂变还是聚变，都不会释放能量，而且需要吸收能量。重的元素，如铀附近的元素，裂变时会释放能量；与此相反，轻的元素.则在聚合为较重的元素时，释放出能量。

　　原子核都带正电。两个带正电的原子核聚变成一个较重的原子核时，首先要克服彼此间的静电斥力。轻原子核带的正电少，彼此间的静电斥力小，所以质子数越少的原子核越容易聚变。轻原子核不但容易聚变，而且聚变时放出的能量多。实际上，在考虑轻原子核的聚变时，目前只考虑氢的同位素之间的聚变。氢的各种同位素的质子数最少，只有一个，所以互相间静电斥力最小，在人工的条件下最容易聚变。

　　氢有三种同位素：氕、氘、氚。氕的原子核只有一个质子。氘的原子核有1个质子和1个中子，比氕原子核重1倍。由于它比氕重1倍，所以化学性质相差较大。在当时，还没有其他两种同位素具有氕和氘这样大的化学性质上的差别。氚原子核有1个质子和2个中子。氢是上述三种同位素的总称，是元素名称。

　　在氢的同位素中，氘和氚之间的聚变又最容易，所以人们一般将氘和氚称为聚变核燃料。氘和氘之间的聚变就困难些，氕之间的聚变就更困难。因此人们在考虑聚变时，首先考虑的是氘、氚之间的聚变，其后才是考虑氘、氘之间的聚变。由于氚的半衰期只有12. 26年，每过12.26年就要减少一半，所以地球诞生之初存在的氚早已衰变得无影无踪了。自然界中的氚，是宇宙射线的产物，只有几千克。聚变用的氚要人工制造，所以一般不考虑氚、氚聚变。

　　聚变核燃料和裂变核燃料相比，不仅丰富，而且干净。太阳的巨大能源就是聚变产生的。

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聚变能量

　　氘和氚发生聚变后，2个原子核结合成1个氦原子核，并放出1个中子和0.176亿电子伏特能量。每一次氘氚聚变时释放的能量，比一次铀－235裂变释放的约2亿电子伏特能量少得多。中子和质子统称核子。氘氚聚变时只有5个核子参加反应，而铀－235裂变时有236个核子参加反应。因此如果按平均每个核子释放的能量来比较，氘氚聚变释放的能量是铀－235裂变释放的能量的4.14倍。

　　不仅轻原子核聚变时，每个核子释放的能量，也就是每千克聚变燃料释放的能量比裂变多，更主要的是，地球上聚变燃料的储量比裂变燃料丰富得多。

　　据估计，地球上总的水量，包括海水、冰川、河水等，共138.598亿亿立方米，其中海水占99.3%。水中氘的含量非常“丰富”，每升水含0.03克氘，比海水中铀的含量大1万倍。因此地球上的水中约有40万亿吨氘。

　　氚可以由锂制造。锂主要有锂－6及锂－7两种同位素。锂－6吸收1个热中子后，可以变成氚并放出能量；锂－7要吸收快中子才能变成氚。地球上锂的储量虽比氘少得多，也有2000多亿吨。

　　氘不仅储量丰富，而且提取方便。地球上的铀矿，含量千分之几就算较富的矿了。在开采铀矿的过程中，还有粉尘及放射性氡气。而水中提取氘，不用探矿和采矿，也没有粉尘和放射性污染。再加上聚变燃料单位质量释放的能量多，所以使用聚变能源时，燃料费更低。

　　聚变能源不仅丰富，而且安全、清洁。要产生裂变链式反应，并使裂变堆能运行一段时间，必须使核燃料的装载量超过维持链式反应所需的质量。这就使裂变堆，特别是快堆，核燃料的装载量很大，高达数吨。如果出现使功率陡增的瞬发临界等事故，就会释放大量的能量和放射性物质，因此要采用一系列安全措施。而聚变燃料是按一定的速度加入的，燃料的数量少，即使失控也不会产生严重事故。

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聚变能源与裂变能源

　　铀－235等重原子核裂变时，会产生200多种放射性同位素。虽然大部分同位素半衰期短，可以在很短时间内衰变，但仍有一些，主要是锕系元素的半衰期长，会对人类造成几百万年的危害。除了放射性外，裂变堆的核燃料及裂变产物如钚等，还有很强的化学毒性。我们说裂变堆很清洁，是由于它层层设防，对放射性物质采取了严格的隔离措施。而氘、氚等聚变反应中产生的氦，是没有放射性的。如果我们不在聚变堆中加入铀、钍等裂变材料，那么聚变堆产生的放射性废物，主要是泄漏的氚，以及聚变时释放的中子、质子，引起聚变堆结构材料活化而生成的。聚变堆产生的放射性，比裂变堆少得多。聚变堆由于活化产生的放射性废物主要是固体。而裂变堆产生的放射性废物，加上裂变堆核燃料后处理过程中生成的废物，不少是气体和液体。气体或液体放射性废物的处理，比固体困难些。

　　裂变堆如果冷却剂的循环遭到破坏，即使反应堆停堆，由于放射性衰变的余热得不到冷却，堆芯温度还会上升，使燃料元件烧毁，造成放射性物质外逸。美国三里岛核电站的事故，就是这么造成的。聚变堆没有余热，即使冷却剂丧失，也不可能出现三里岛那样的事故。

　　在可以预见的地球上人类生存的时间内，水中的氘，足以满足人类未来上千亿年对能源的需要。因此地球上的聚变燃料，对于满足未来的需要来说，是无限丰富的；聚变能源的开发，将“一劳永逸”地解决人类的能源需要。

　　在地球上的自然条件下由于原子核之间的静电斥力，以及地球上的引力太小，在地球上的自然条件下无法实现聚变。因而在地球上可以实现裂变链式反应，但是只能在人工的条件下实现。目前主要有磁约束、惯性约束和μ介子催化等途径可以实现聚变。经过半个多世纪的努力，虽然有些途径已显示出胜利的曙光，但要发展到实用阶段，还有一段艰难的道路。

　　受控聚变的研究之所以如此艰难，一个根本的原因，是由于所有原子核都带正电。核力是一种短程力。2个带正电的原子核互相接近时，它们之间的静电斥力也越来越大。只有当它们之间互相接近的距离达到大约万亿分之三毫米时，核力才能起作用。这时由于核力大于静电斥力，2个原子核才能聚合到一起，放出巨大的能量。由于2个原子核聚合前首先要克服强大的静电斥力，所以在地球上现有的条件下，很难发生聚变。为了实现铀－235、钚－239等的裂变，不需要入射中子及靶原子核具有任何动能；而为了使2个原子核聚变，首先必须使两个原子核的一方或双方有足够的能量，去克服彼此之间的静电斥力。这就是全部症结之所在。

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等离子体

　　获得聚变能源最方便的途径，是将大量的聚变材料在极短的时间内，加热到极高的温度。温度越高，氘核运动的速度也越快。当温度达到1～2亿℃时，氘核运动的速度也就达到每秒 1000～2000千米。采用常规的方法，要想加热到如此高的温度是不堪设想的。1945年原子弹研制成功以后，人们也就找到了在极短时间内加热到几亿度高温的方法。1952年，美国用原子弹爆炸产生的高温，第一次实现了大量氘、氚材料的聚变。但是原子弹要有一定的临界质量才能产生链式反应，而且一旦实现链式反应，就会在极短时间内释放出巨大的能量而爆炸。用这种方法去加热聚变燃料，也只能是一种在极短时间内释放大量能量的爆炸。

　　任何物质，在较低温度下是固体，温度升高就变成液体和气体。虽然不同物质在不同压力下熔化和汽化的温度不同，但随着温度的升高，物质都要由固体变成液体和气体。这就使人们去考虑，当气体的温度进一步升高时，情况怎样呢？

　　我们平时见到的气体，是由分子组成的，称为分子气体。随着气体温度的升高，气体分子的互相碰撞加剧，分子被碰碎了，成为单个的气体原子，这就是原子气体。原子气体的温度进一步升高，由于碰撞的加剧，原子外的电子，首先是一部分被碰掉，成为自由电子与离子的混合物。当温度继续上升，原子核外的全部电子被碰掉，成为自由电子与完全电离了的裸露的原子核的混合物。无论是部分电离或完全电离，在一个小的体积单元内，正离子或带正电的原子核的带电量，与自由电子的带电量是相等的，因此呈电中性。这些气体，称等离子体。前者称部分等离子体，后者称完全等离子体。氢气大约在几千摄氏度开始少量电离，到10万度左右就可以成为完全等离子体。

　　这种高温等离子体不能用容器来容纳，而要采用特殊的办法来约束。由于太阳质量比地球大33万倍，它所产生的巨大的引力，可以将太阳上的等离子体约束在一起。地球上的引力太小，因此太阳及其他恒星上能在自然条件下产生的聚变，在地球引力的条件下无法来实现。

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磁约束

　　既然在地球引力的条件下不行，用实物制成的容器也不行，科学家就采用由封闭磁场组成的“容器”，来约束电离了的等离子体。这种容器又叫磁瓶或磁笼，它由磁力线组成，看不见，摸不着，不怕高温烈火烧。用磁场实现聚变的方法称为磁约束。

　　20世纪50年代初期，前苏联科学家塔姆和萨哈罗夫，提出托卡马克的概念。托卡马克是磁线圈圆环室的俄文缩写，又称环流器。第一个托卡马克装置，1954年在前苏联库尔恰托夫原子能研究所建成。在此之前，从1946年开始，其他的磁约束概念也曾相继提了出来。

　　在托卡马克装置中，聚变反应是在圆环形的聚变反应室内进行的。这个室像一个汽车轮胎的内胎一样。圆环上绕的线圈产生的强磁场，使等离子体保持在圆环的中心，不会和圆环的内壁接触。首先用感应产生的大电流，对等离子体进行加热。这种加热是利用等离子体有电阻的特性进行的，所以又叫电阻加热或欧姆加热。但是随着温度的升高，本已微弱的等离子体电阻又急剧下降。所以用欧姆加热，在一般情况下很难使等离子体内的离子温度超过1000万℃。因此需要在欧姆加热的基础上，对等离于体进行二次加热。可以采用注入具有很高能量的不带电的原子束，即中性束的办法。1978年美国科学家用这个办法，将等离子体加热到7000万℃取得了令人鼓舞的成绩。此外还可以用离子回旋共振加热等方法，其所需的设备比中性束注入要简单，但也有一些新的技术问题。这些加热方法均会使约束时间缩短。

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聚变能量释放的因素

　　当等离子体达到一定的温度，由于原子核运动速度的增加，会使它们在相互碰撞时，克服彼此间的静电斥力而聚变。很显然，对于一定的温度， 在一定的时间内，原子核之间互相碰撞的次数，与等离子体中原子核的密度成正比；而在一定密度的情况下，原子核之间互相碰撞的次数，与等离子体中保持这种密度的时间，即约束时间成正比。因此聚变反应中能量的释放，与等离子体的温度，以及原子核密度和约束时间的乘积有关。

　　20世纪50年代末以来，当科学家们提出磁约束的概念后，由于氢弹的迅速成功及聚变研究的顺利进展，使不少国家的核科学家，对受控聚变抱过分乐观的态度。对受控聚变及快堆的过分乐观的估计，曾使英、前苏联、美等国的民用核动力计划，受到一定影响。使这些国家将未来能源的希望，过早地寄托在科学家的设想上。

　　这种过分的乐观，很快被一种悲观的情绪所代替。科学家们发现，约束等离子体的磁场，虽然不怕高温烈火烧，但很不稳定。磁场和等离子体之间的边界会逐渐模糊，等离子体会从磁笼里钻出去，而且当约束等离子体的磁场一旦出现变形，有一种正反馈作用使这种变形加剧，造成磁笼断开或等离子体碰到聚变反应室的金属内壁上。另外，等离子体在加热过程中能量也不断损失。 首先由于粒子间的碰撞，等离子体的粒子会一步一步地横越磁力线，携带能量逃逸；同时，高温等离子体会辐射出电磁波而损失能量。当等离子体含有质子数高的杂质时，这种辐射损失会急剧增加。根据不同的辐射机理，辐射损失分别与杂质原子核内质子数的平方、四次方、六次方成正比。

　　经过几十年的努力，人们才正确了解影响磁约束及造成能量损失的各种机理，摸索出克服这种不稳定性及能量损失的对策。20世纪60年代末期以来，科学家在克服磁场不稳定性及能量损失方面所取得的进展，使人们对受控聚变的信心增强了。

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劳逊判据与托卡马克装置

　　当我们点煤炉时，煤一方面燃烧发出热量，另一方面又向四周散失热量。只有当点燃的煤足够多，使它燃烧发出的热量比散失的热量大，煤炉里的火才能愈烧愈旺，成为一个释放能量的来源。这时我们可以说这个煤炉已实现了点火。

　　聚变反应与裂变反应不同。裂变反应时可以不需要入射中子有动能；而为了实现聚变，首先要输入能量。当输入的能量与聚变反应产生的能量相等，即能量增益因子等于1时，称为得失相当。实际上，由于创造聚变条件消耗的电能，一般要3倍于它的热能才能生产出来，所以要使能量增益因子等于3时，才能真正地实现得失相当，能量收支平衡。

　　按照与煤炉点火类似的道理，英国科学家劳逊1957年提出实现得失相当的条件，即劳逊判据。对于氘、氚聚变，为了实现得失相当，等离子体的温度大约要1亿摄氏度，等离子密度（以每立方厘米的粒子数为单位）与约束时间（以秒为单位）的乘积，大约要达到100万亿。氘氚聚变得失相当的条件，比氘、氚聚变要困难几十倍。由于氘氚聚变得到的能量，大部分被聚变产生的中子带出等离子体，不能用于维持等离子体的加热状态，因而点火条件比得失相当要困难些。

　　1954年前苏联第一个托卡马克装置，实现了个别的聚变反应，但聚变反应产生的能量极微。直到1970年，前苏联在另一个托卡马克装置上，才有可以察觉到的聚变能量输出。在这座装置上，为了实现聚变消耗了10亿份能量，才得到1份聚变能量。又经过10年，在美国和西德两台托卡马克装置上，聚变能量的输出份额就增加了2亿倍。这2台装置，可以在非常短暂的瞬间，为实现聚变每消耗10份能量而得到2份聚变能量。

　　1982年圣诞节前夕，美国为实现点火而设计的大型托卡马克装置在普林斯顿大学建成。该装置是1974年批准，1977年动工的。1980年，美国总统卡特曾签署了《聚变能源工程法》，要求在7年内将聚变经费翻一番，2000年前投资200亿美元，1990年建成工程试验装置，2000年前建成聚变示范堆。而实际上这一法令的颁布，却成了美国聚变研究走下坡路的分水岭，聚变经费一再压缩。一方面由于经费的一再压缩，更主要的是由于聚变技术比原来想象的要复杂得多，所以原来确定的目标也一再推迟。

　　在此之后，1983年6月在英国建成比上述装置更大的欧洲联合环。1985年4月，日本的大型托卡马克装置已建成并投入使用。前苏联的大型托卡马克装置也已建成。由于实现点火后，装置就有强烈放射性，难以进行检修和从事各项基本研究，所以专家们期望尽可能推迟在这四座大型托卡马克装置上进行点火实验的时间，以便更多地从事一些等离子体物理的基础研究。

　　1984年9月，我国第一台中型聚变装置——中国环流器一号在四川乐山市郊建成。该装置是托卡马克型，达到国外20世纪70年代的水平。

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惯性约束

　　在进行磁约束研究的同时，20世纪60年代以来，由于激光的出现，在受控聚变的领域，出现了一支强大的新的生力军——惯性约束。

　　在地球上，聚变能最先是通过惯性约束，在氢弹中大量产生的。在氢弹中，引爆用的原子弹所产生的高温高压，使氢弹中的聚变燃料依靠惯性挤压在一起，在飞散之前产生大量聚变。但是氢弹爆炸时，每次释放的能量太大，使得人类难以利用。如果我们不是用原子弹，而是用其他办法，有节奏地引爆一个个微型氢弹，就能够得到连续的能量供应。这种理想，在20世纪60年代激光问世以后，就有了实现的可能性。

　　为了加大激光引爆的效率，一般是对称地布置多路激光，同时照射直径1毫米左右的氘、氚实心或空心小丸。在十亿分之几秒的时间里，激光被靶丸吸收，周围形成几千万摄氏度的高温等离子体组成的冕区，发出比太阳耀眼得多的光芒，使靶丸大部分外层靶材受热向外喷射，由于反冲力形成的聚心冲击波，将靶芯千百倍地压缩，并产生上亿度的高温。依靠聚心压缩的惯性，靶芯在尚未来得及分散前发生聚变。

　　1963年，前苏联科学院巴索夫院士，提出用激光引发聚变的建议。1968年前苏联学者又用激光照射氘氚靶产生了聚变，证明激光聚变的概念是正确的。差不多同时，我国物理学家王淦昌教授，1964年也独立地向我国有关部门提出激光聚变的建议。根据这一建议，中国科学院上海精密光学机械研究所，从60年代起就开始准备激光聚变的研究，1973年实现了激光聚变，探测到聚变反应中释放出的高能量的中子。

　　但是1968年及1973年在前苏联及我国的装置上，都只有个别的氘氚原子核发生了聚变反应。为了使激光聚变达到可以实用的规模，当时简单的计算表明，必须使激光的能量达到几千万到几十亿焦耳。要想得到如此大的激光能量，无论是当时或现在都是难以想象的。因此激光聚变虽然是可行的，却使科学家们望而生畏。

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聚爆理论


　　1972年美国学者尼库尔斯等人公布了聚爆理论。根据这一理论，激光除了使靶丸加热外，还使靶芯压缩，可以成千倍地增加靶芯密度；由于压缩引起的密度的提高，为使聚变达到可以实用的规模，只需几万焦耳以上的能量就够了。聚爆理论增强了科学家们的信心，吹响了向激光聚变点火进军的号角。从此以后，以点火为目标的激光聚变研究就开展了。

　　根据聚爆理论，为使激光聚变达到点火条件，并产生有益的能量输出，除了要提高激光的能量外，还要求精确控制激光的照射方式。在激光照射的开始阶段，要求激光的功率小一些，以便靶丸表面逐渐汽化，形成一层与地球的大气层类似的冕区，使激光的能量能够均匀地传输到靶丸的表面。然后再通过一次比一次强的激光照射，产生一个比一个快的聚心冲击波，并使这些冲击波能同时达到点火所要求的靶丸半径处。因此在一个1毫米左右直径的氘、氚小丸上，在以十亿分之几秒计的过程中，一共包括冕区形成、表层喷射、多次聚心压缩和芯部点火4个阶段。这4个阶段要求在时间上有精确的衔接，在空间上有精确的同步，这需要何等高超的技术和工艺啊！

　　经过10多年的努力，激光聚变已取得了明显的进展。1987年，我国上海光学精密机械研究所，建成能量1000焦的“神光”激光装置。如果这1000焦的能量是1秒内产生的，则只有1000瓦的功率。但神光装置的发光时间不到十亿分之一秒，因此功率达十亿千瓦以上，比1989年中国全部发电厂的总功率大9倍以上。利用它轰击0.1毫米直径的氘氚小球，小球的温度可达1000万℃以上，并形成1000万个大气压的向心压力， 使小球产生了聚变反应。

　　在此之前，1980年美国在“希瓦”激光聚变装置上，已使靶材压缩100倍，聚变反应释放的能量，超过了输入的激光的能量的1%，取得了令人鼓舞的成绩。美国为实现激光聚变点火而设计的“诺瓦”装置，能量可达10万焦，1979年5月14日开始建造，1986年1月建成并开始调试和实验。

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惯性约束的优点及问题

　　每一次激光聚变的时间约十亿分之一秒。利用激光使氘氚小球聚变，相当于引爆了一个微型氢弹。一个微型氢弹爆炸后产生的冲力，比一个节日用的大爆竹爆炸产生的冲力大不了多少。如果1秒种引爆100个外径几毫米的微型氢弹，就可以得到几百万千瓦的电功率。由于激光聚变是一种微型氢弹，因此一些国家利用激光聚变来研究核武器的辐射效应，验证武器设计的计算机程序。

　　但是，激光聚变时，为创造聚变条件所需的激光的能量的利用效率，以及由电能转化为激光的能量的利用效率都不高。根据日本学者的研究，如果采用有外层球壳的小球，让激光通过外壳的孔后在内球和外壳之间来回吸收和反射，就能使内球更好地压缩并达到聚变。但这种小球是很难制造的。另外，如采用氟化氪准分子激光器，则电能转化为激光的效率高。这需要缩小氟化氪激光的脉冲宽度，以便使能量更集中。

　　惯性约束除了采用激光外，20世纪70年代后还研究用电子束及离子束。电子束及离子束的优点是，为创造聚变条件而消耗的能量的利用效率高得多。特别是采用离子束时，由于离子的射程短，离子的能量主要被靶丸表层吸收，因而更容易产生压缩。因此使用离子束时，由于离子运动速度慢，通过控制加速离子的电压，使先发射的离子速度慢一些，后发射的快一些。可以使先后发射的离子同时达到靶丸表面，产生所谓聚束作用。但是电子束及离子束达到的功率还不够高，而且由于带电粒子间的排斥力，使电子束及离子束的聚焦比激光困难些。因此电子束、离子束聚变，目前还不如激光聚变成熟。离子束聚变时，目前主要用碳、氧、氮等轻离子。采用重离子束时，由于成本过高，发展前途不大。

　　惯性约束和磁约束相比有三个优点：第一，装置的聚变部分的体积小；第二，可以采用液体金属作为聚变反应室的冷却剂，冷却效率高。当使用液体锂冷却时，还有利于氚的增殖；第三，可以将产生激光束、电子束或离子束的聚变驱动器部分，与聚变反应室分开，有利于检修。但是惯性约束只能脉冲运行，不能像串级磁镜那样稳态运行。

　　在0℃和1个大气压之下，每立方厘米的空气中大约有3000亿亿个气体分子。在磁约束的条件下，等离于体的密度很低，每立方厘米的粒子数约百万亿个，比空气中的分子密度小几十万倍，因此聚变反应室要有高真空。为实现聚变，在此种密度下要求的约束时间至少是1秒，所以磁约束是一种慢聚变。惯性约束是快聚变，约束时间很短，大约为十亿分之几秒。为了实现聚变，等离子体密度应达到每立方厘米千万亿亿个粒子，比空气的密度大几千倍以上。

　　无论是磁约束或惯性约束，都需要极高的温度，所以称为热核反应。氢弹是利用原子弹的爆炸提供高温实现聚变爆炸，所以称为热核武器。，除了高温核聚变外，有的科学家还提出了低温核聚变的思想。