受控热核聚变

[拼音]：shoukong rehe jubian

[外文]：controlled thermonuclear fusion

轻等离子体核加热到很高的温度，以克服原子核之间的库仑排斥力，使在可控制的条件下，发生大量的原子核聚变反应而释放出能量的一种核反应过程。1952年到1953年，美、苏相继试验了氢弹，实现了非受控的即爆炸式的热核聚变。从那时以来，人们一直研究如何实现受控热核聚变，用来解决人类的能源问题。以下分别说明受控热核聚变这项开发性研究的一些特点。

聚变能源

目前，全世界每年新探明的石油储量小于当年的开采量，呈现了石油的总危机。煤的储量比石油丰富。然而，这类化石燃料的资源终究很有限的。目前已知可利用的化石燃料热值估约100Q(1Q=1.05×10²焦耳），设全球每年消费能量1Q(为目前的5倍)，只敷百年之用。

自从20世纪中叶开始建立裂变原子能电站以来，至今它已发展为成熟的技术。虽然核裂变燃料（铀）的热值比碳氢燃料高得多，但是对于有开采价值的铀矿来说，目前的估计，即使应用增殖堆来增殖燃料，其可利用的热值总数200Q，也只够两个世纪的需要。

因此，有必要发展受控热核聚变以弥补化石燃料与核裂变燃料将来的短缺。受控热核聚变的燃料是重氢－氘，它普遍地存在于自然界的水中。重水(D₂O)约占水分子数的七千分之一。聚变燃料具有很高的热值，1公斤氘相当于4公斤的铀(²³⁵U)，8600吨汽油，或11000吨煤，也就是1桶水的聚变能抵400桶汽油。全地球水的总聚变潜能为1.5×10¹⁰Q，足供人类使用百亿年，超过迄今为止的地球的历史年代。就拿较易实现的氘-氚聚变来说，再生氚所需要的锂(⁶Li)也足够用千年。因此，可以说，受控热核聚变的实现将为人类提供取之不尽的新能源。目前，就燃料成本说（按热值计），氘比煤便宜千倍，比石油便宜万倍。

核聚变与核裂变相比较，除了其燃料无比丰富与价廉之外，还有放射性污染相对地少的优点。聚变过程中的氚虽是放射性元素，但其半衰期比较短（12年），且其放射性低，生物效应也较弱，比起裂变碎片的放射性处理要简单得多。但经中子撞击而激活的结构物质，聚变堆与裂变堆中都有，同样要设置屏蔽。

除了纯聚变反应堆以外，也有可能使用聚变－裂变混合堆，它利用聚变产生的强大的中子流，使裂变堆中的²³⁸U或²³²Th转换为²³⁹Pu或²³³U，成为有用的裂变燃料。并且14MeV中子也能引起²³⁸U裂变的能量输出倍增效应。它使聚变有增益的条件放宽，较易实现。

热核聚变

几种典型的聚变反应为

D+T—→⁴He(3.52MeV)+n(14.06MeV)D+³He—→⁴He(3.67MeV)+p(14.67MeV)

这里D即氘，T即氚，p即质子，n即中子。D-D的两种反应的几率相等。以纯氘为燃料的反应，如果温度足够高，上述反应都可发生，则

3D—→⁴He(3.59MeV)+p(8.85MeV)+n(8.25MeV)+0.915MeV

即每烧掉一个氘核得7.2MeV的能量，其中38％为中子所携带，其余属于荷电粒子。氘-氚聚变反应的能量的80％由中子携带，20％为α粒子（⁴He核）所携带。

用反应截面σ 表征两个核聚变的几率，每个射来的核在单位时间内发生反应的次数为nσυ，n为靶中原子核的数密度，υ为相对速度。σ随相对能量的关系如图1所示。由图可见，当能量为数十千电子伏时，σ_D-T比σ_D-D大得多，所以最容易实现的是D-T反应。不过T在自然界中非常稀小，要通过中子轰击锂而获得

⁶Li+n→T+⁴He+4.8MeV，

⁷Li+n(+2.5MeV)→T+⁴He+n。

上述聚变均有中子，会引起若干感生放射性污染。人们也考虑过一些不产生中子的轻原子核反应链，但是反应要求的燃烧温度更高，而反应截面却较小，实现更加困难。这是受控热核聚变将来可以考虑的研究领域。

在实验室里可用一束氘核去轰击固体氘靶或氚靶而发生聚变反应。然而作为产生动力之用的聚变堆的反应区却不能期望处于常温状态。因为高能定向氘束与耙中电子碰撞截面远大于核反应截面，致使氘束迅速慢化，发生的核反应很少。所以聚变堆反应区必然要处在极高温度的等离子体状态下，必须依靠进行无序热运动的氘(氚)核，彼此发生聚变反应，像氢弹那样，因此称为热核聚变。

如果反应区内的带电粒子所获得的聚变功率密度超过能量损失（包括辐射）功率密度，则等离子体温度继续上升。两者相等时，热核聚变能以稳恒的方式自持地进行，这时的温度称为着火温度；假设仅有辐射而无其他能量损失，相应的温度称为起燃点，也就是最低的着火温度。

纯氘堆的产物³He虽是高能的(0.82MeV)，但当等离子体温度不太高时，它通过减速将能量迅速传给了等离子体，致使³He(d，p)⁴He的反应未能进行完毕，这时荷电粒子获得的聚变能量为4.19MeV每D-D反应，对于D-D堆，相应的提交等离子体的聚变功率密度(W/cm³)为

p挆=3.35×10^-13n娭<συ>_DD，

同理，对于D-T堆为

p挊≈5.64×10^-13n_Dn_T<συ>_DT，

这里，< >表示按粒子速度分布取平均。

轫致辐射功率密度p峃主要由电子碰撞离子变速而产生，

式中T_e以keV计，j指不同原子序数Z的各种离子。由此式可见，高Z杂质会增加辐射而冷却等离子体。

在受控聚变领域碰撞辐射频谱在X 射线范围，不易被吸收而穿出等离子体。然而，回旋辐射的频谱却属于微波（毫米波），只要等离子体尺寸不过分小，则等离子体对它有明显的吸收。回旋辐射的功率密度

p_ce≈6.2×10_-25B²n_eT_e，

式中B为磁感应强度，以Gs计，T_e以keV计。

假定T'＝T_e＝T，B²/8π＝2n_ekT并且没有杂质，则上述四种功率密度可表于图2。由图可见，D-T堆起燃点为5keV，纯氘堆起燃点为32keV（设回旋辐射被良好吸收而予以忽略）。

实际上，聚变堆芯除辐射外还有其他的热损失，自持燃烧的着火温度比上述起燃点还要高。由于热核燃料便宜，从建堆的角度关心的是获得能量的净的增益，并非燃烧是否完全。考虑图3所示一般聚变堆的功率循环。图中p和Mp表示各过程的功率；η表示相应的效率。p_i和p除非常规热力发电外还可进行部分直接发电，平均效率为ηd。中子在包层中慢化被吸收；对D-T堆要进行氚的增殖，伴随着能量的释放；对于聚变－裂变混合堆来说，引起裂变能量倍增及裂变燃料倍增；然后进行热力发电，其效率为η_t。总的发电功率除作等离子体加热使用以及补偿系统消耗功率p_s之外便是输出功率p_e。

受控聚变研究的第一步是建立聚变试验堆，验证科学可行性。所谓科学可行性就是没有系统耗电(p_s=0)时达到得失相当（p_e＝0），这时

(p+p_i)η_d+p_n(1+M)η_t＝p_i/η_i，

式中M为中子能量倍增系数纯氘堆M=0氘-氚堆M＝4.8/14.05混合堆可估取M≈39。定义能量约束时间τ_E为

，

式中V为等离子体体积。

考虑取，则

η[p_i+p+p_n(1+M)]＝p_i，

由此式便可得到图4所示的曲线。图中 D-T自持是指p_i＝0，损失功率等于p的情况。由图可见，科学可行性上得失相当要求：

D-D堆　n_eτ_E≥10¹⁵s/cm³，T≈50keV，

D-T堆　n_eτ_E≥6×10¹³s/cm³，T≈10keV。由图也可见，混合堆降低对n_eτ_E的要求约一个量级。如η＝0.136则D-T得失相当与自持条件同。

科学可行性条件也常称为劳孙判据。它考虑将等离子体加热至温度T，约束时间τ，反应释放的聚变能与热能发电（效率为η）以供加热，故

η(3n_etT/τ+p峃+p_ce+p_n)＝3n_etT/τ+p峃+p_ce。

所得的n_eτ值和上述n_eτ_E条件差不多（略高）。

受控聚变研究的第二步是进一步解决一系列技术问题，以建立经济实惠、工程可行的聚变实验动力堆，就是要考虑实际的聚变堆的整个系统的耗电功率p_s而能获得净的增益(p_e>0)。第三步则是建立民用（商用）聚变电站。

受控热核聚变研究

上述热核聚变条件表明加热与约束等离子体是受控聚变研究的两大课题。此研究可划分为磁约束与惯性约束两类途径。磁约束热核聚变途径靠欧姆电流加热或中性束注入与各种射频波加热。其高温高压等离子体的粒子受到磁场所施的洛伦兹力的作用而绕力线回旋，从而受到约束，使之与容器壁分隔开来。惯性约束聚变途径则依靠激光束、电子束或离子束等加热氘氚靶丸，利用粒子的惯性，在未严重飞散之前能进行适度的热核燃烧。以往30多年的研究已使人们接近于走完前述实现受控热核聚变的第一步，即磁约束途径将实现科学上达到的能量得失相当，惯性约束途径也有可能在20世纪末达到这一目标。

惯性约束聚变

惯性约束聚变可以说是受控制的微型核爆炸，自20世纪60年代初激光问世以来，人们一直设法使用激光束，70年代后又考虑用强流相对论性电子束或离子束等高功率短脉冲的射束，集射到球形氘氚靶丸上，使之加热，表面消融为高温等离子体，并且高速喷射产生强大的反冲力，使之向心爆聚，压缩到超高密度（为固体的千倍），同时使中心温度高达点火，由于聚变产生的σ粒子对等离子体的自加热作用使之自持，利用粒子的惯性，在靶丸未严重飞散（以声速）之前的短暂时间（10_-10～10^-11秒）内达到足够高的热核燃烧。

惯性约束热核燃烧基本要求ρ'r塼3克／厘米或 厘米，式中ρ'为离子密度，ρ'/ρ为压缩比，r为点燃的小球半径，R为压缩前的初始半径。压缩比高则密度高，反应率便高。考虑发电、电→束、束→料的效率分别为η_e、ηd、η_c，总效率为η，能量有增益的条件为

ρ'r塼2.7×10^-4E/η (g/cm²)

式中E以keV计，为点火时燃料球每个离子的平均的初始能量。考虑σ粒子加热作用，只要靶中心大小σ粒子射程的区域达到点火温度，便能把周围较冷的燃料燃烧。人们估计得失相当要求束能1～10兆焦，功率大于10¹⁴瓦，聚焦到几毫米靶上。

电能转化为射束能与束－靶耦合的效率以及束的聚焦性是关键的问题。激光束聚焦性好，与靶尚能较好耦合，特别是波长较短的KrF^*激光器与自由电子激光器，但是电→束转换效率低（自由电子激光器除外）。电子束能量大，转换效率较高，但聚焦性差，脉冲过宽。束－靶耦合不好，压缩度低。目前粒子束驱动惯性约束方面的研究工作已转向离子束。离子束与靶最好耦合，但聚焦与脉冲成型是问题。

激光聚变研究已得到了压缩比为 100，温度 500eV的结果，由于效率过低，ηd揥10％，η_c揥5％，当前离得失相当还有一段距离。至于离子束聚变的研究刚刚兴起。目前，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室正在研制能量约100千焦，功率10¹⁴瓦的代号“Nova”多路钕玻璃激光器，美国桑迪亚国家实验室正在研制功率大于10¹⁴瓦代号“PBFA-Ⅱ”轻离子束聚变装置等， 都在朝着科学上实现得失相当的目标前进。

磁约束聚变

受控聚变研究中更广泛的是磁约束途径。等离子体内的磁场约束荷电粒子，等离子体外真空区的磁场可以起到磁垫或磁绝缘层的作用。磁压强（B²/8π）起到抵御等离子体压强的作用，例如5万高斯的磁场的磁压强约为 100大气压。通常定义等离子体压强与磁压强之比为比压，β 高说明所需的磁能较小，则较经济。然而，β 高更难约束。对等离子体受磁约束起破坏作用的有宏观的和微观的各种不稳定性以及粒子与能量的各种损失机制。与高密度瞬息间聚变的惯性约束相比较，磁约束则是较低密度（≈10¹⁴cm^-3）较长时间燃烧的热核聚变，其脉冲式可达百秒，其稳态式则更长。磁约束聚变为了经济使用磁场不得不追求相当高的第一壁中子通量密度，招致技术上的困难，而惯性约束则不受此限制。

磁约束聚变研究曾试验过多种装置，可归纳为闭式（指磁力线）与开式两类。迄今前途比较明朗的闭式环形装置有托卡马克及仿星器，开式直线装置有磁镜。

托卡马克装置首先制成于苏联（其名为俄文环流磁真空室等字的缩写）。它利用电磁感应产生的环电流造成的“极向”磁场配合纵向磁场约束等离子体，同时，欧姆电流也是加热的重要手段。1978年美国的PLT装置首次取得T'≈7keV，n_e≈3×10¹³cm^-3，τ_E≈25ms的结果。1982年美国TFTR装置及1983年欧洲经济共同体的 JET装置相继投入了运转，1984年JET达到了T'≈5.5keV，n_e≈3×10¹³cm^-3，τ_E≈0.65s的指标。日本的JT-60装置和苏联的T-15等装置将陆续启动。这四大装置都是托卡马克，目标是科学可行性上的能量得失相当，其实现指日可待。然而，托卡马克形态必需的环电流原靠感应产生，由于变压器的伏秒数有限，托卡马克被迫作长脉冲运行，这在建堆发电上是不希望的。目前波驱动电流实验正在为解决此一问题进行探索。其次，托卡马克存在的危及堆的生存的破裂不稳定性，尚待妥善的解决。此外，托卡马克的比压β值稍低及其复杂的环形结构会造成工程上的复杂性。

仿星器装置起源于美国，它借外导体的电流产生的极向磁场配合纵向磁场约束等离子体。它不像托卡马克那样依靠感应产生环电流，因此是稳态运行，而且没有破裂不稳定性。不过，它运行的β值比托卡马克的(<5％)还要低。50年代美国的仿星器实验具有玻姆扩散损失，然而70年代联邦德国的W-Ⅶ装置却取得了类似托卡马克的约束性质。在80年代仿星器研究得到了进一步的发展。

磁镜装置的磁场线圈绕在直管上，两端的磁场比中间的强。由于粒子磁矩守恒，当它运动到强场处，轴向速度减慢而增加垂向速度，除少数速度矢量接近平行磁轴的粒子逃逸之外，多数粒子被反射回中央区域，“磁镜”因此而得名。简单磁镜出现“槽纹交换不稳定性”，破坏约束。1961年苏联创造了用约飞棒进行稳定化的方法，随后出现了多种“极小B”磁镜位形。1976年美国2XⅡB装置取得了进一步的成果。接着提出的串联磁镜的方案，利用中性束注入长螺管中心室外两端塞在等离子体内建立电位峰，以减少离子的轴向逃逸。磁镜是稳态的聚变装置，预期β值较高，且结构简单，这些都是它比托卡马克装置优越的地方。然而，它的轴向堵漏的研究开展未久，参与建堆的竞争是未来的事情。

磁约束聚变实现科学可行性上能量得失相当之后，研究的第二步却是不能轻而易举地完成的。第一壁要经受强的中子辐照，这方面迄今尚没有足够的经验，预期是困难的任务。此外，要能供给聚变堆系统的耗电而有净的输出，势必要求有比劳孙判据更高的n_eτ_E及T值，也就是要求增益系数Q＝(p±+p_n)/p'有约大于10的值。磁约束聚变概念堆的横截面，如图5所示，它由堆芯高温等离子体及其外的真空壁、包层及磁场线圈所构成。主衰减层起到倍增中子（混合堆）、吸收中子、增殖氚及热传输等作用。

作为聚变研究第二步的第一代装置，即从科学上实现能量得失相当后到聚变实验动力堆的过渡，美国正拟建立研究堆芯的TFCD装置，欧洲共同体则拟建立NET装置。苏联则打算在T-15装置实现得失相当后改为混合堆试验。由于混合堆降低对n_eτ_E的要求约一个量级，第一壁经受中子辐照的矛盾会得到缓和，预期这将是公元2000年前后盛行的研究。

作为磁约束聚变研究的第二步，国际原子能协会筹划了INTOR（国际托卡马克堆）装置的设计，同时美国亦进行了类似的 FED（聚变工程试验装置）的设计。它们的目标是在工程上达到：除自供实际的系统耗电功率p_s下略有输出（p_e≥0）。然而，这些都是托卡马克型装置，在今后若干年内，磁约束新途径乃至惯性约束途径势必参与建堆候选者的竞争。未来的实用聚变堆，必将出现各种型式。

无论是磁约束还是惯性约束途径，在研究过程中一方面要在各种装置上进行物理实验，另一方面又要进行大量的等离子体物理理论的研究。在受控聚变研究前进途中还存在着一系列的工程技术问题，诸如：等离子体诊断技术，波加热与中性束注入加热技术，射束技术，超导技术，第一壁材料抉择，氚处理工艺、增殖包层设计，靶丸设计和远距离控制等等。这些技术问题的完满解决，会有助于聚变电站的早日实现。