核聚變能利用

/核聚變能利用1９９1年１１月９日，歐洲的科學家在英國首次成功地進行了實驗室里的受控熱核聚變反應(yīng)試驗，從而揭開了核聚變能利用的序幕。核能是指由原子核的鏈式反應(yīng)所產(chǎn)生的能量。它有兩種來源：一種是由重原子核裂變釋放出來的；一種是由輕原子核聚變產(chǎn)生出來的.核聚變是兩個或兩個以上的較輕原子核(如氫的兩種重同位素氘和氚）在超高溫等特定條件下聚合成一個較重的原子核時釋放出巨大能量的反應(yīng)。因為這種反應(yīng)必須在極高的溫度下才能進行，所以又叫熱核反應(yīng).據(jù)計算.每千克核燃料完全裂變可以放出93.6萬億焦的熱量，相當于3２0０噸標準煤燃燒放出的熱量。而每千克熱核聚變?nèi)剂暇圩兎懦龅臒崃渴呛肆炎兯尫拍芰康模幢?可見核聚變能是一種嶄新的能源。核聚變的原料主要是氫、氘和氚.氘也叫重氫,氚也叫作超重氫,都是氫的同位素。１0００克海水中含有０.0３４克氘,通過熱核反應(yīng)產(chǎn)生的熱量相當于300升汽油燃燒時釋放的能量，核能技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)歷了兩代,現(xiàn)已進入第三代。第一代核能技術(shù)是熱中子鏈式反應(yīng)堆。它是利用核燃料鈾2３５和熱中子（即速度每秒約為2２00米的中子)相遇發(fā)生裂變,放出能量。世界上現(xiàn)有的核電站，盡管堆型有多種,但絕大多數(shù)都是這種反應(yīng)堆。第二代核能技術(shù)是利用快中子來維持裂變的快中子反應(yīng)堆。它的效率較高，可利用天然鈾中所含能量的70%（輕水堆不到1％），可利用多余的中子來增殖,但是要用金屬鈉或氣體氦來做冷卻和載熱劑。它還能利用濃縮鈾后的剩余物作燃料，使鈾成為一種取之不盡的能源。這種反應(yīng)堆在總體上目前仍處于試驗階段，估計還要1０~2０年才能廣泛應(yīng)用。第三代核能技術(shù)就是通常所說的受控熱核反應(yīng)堆。它是利用氫的同位素（氘、氚）聚合成氦而放出能量的反應(yīng).這些同位素存在于海水中，幾乎是用之不竭的.地球上的汪洋大海里有２３.４萬億噸氘,足夠人類使用幾十億年,是一項無窮無盡的持久能源。人類一旦掌握受控熱核反應(yīng)這一新能源技術(shù),必將引起人類能源構(gòu)成的根本變化。海上..。。。。.。。。。。。。。。。。。。。.月球上。。。。..。。。.。。。.。。.。.。。。。。。。。。。。。..。。。。.氕<名〉piē?

?原子質(zhì)量為１的普通的輕氫同位素

氕piē氫的同位素之一，符號H.質(zhì)量數(shù)1。它是氫的主要成分。??氘＜名>dāo?

氫的同位素，其原子量為普通輕氫的二倍,少量的存在于天然水中,用于核反應(yīng),并在化學和生物學的研究工作中作示蹤原子

?氘dāo1。氫的同位素之一。符號岡或D??氚<名〉chｕān??氫的放射性同位素,原子量為普通氫的三倍,半衰期12．５年，蛻變時放出β射線后形成質(zhì)量數(shù)為三的氦.用中子轟擊鋰可產(chǎn)生氚??氚chuān氫的同位素之一,即＂超重氫＂。符號T，質(zhì)量數(shù)3。具有放射性。自然界中存在極微，從核反應(yīng)制得。主要用于熱核反應(yīng)。核聚變

核聚變的定義：?核聚變是指由質(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。原子核中蘊藏巨大的能量，原子核的變化(從一種原子核變化為另外一種原子核）往往伴隨著能量的釋放.如果是由重的原子核變化為輕的原子核，叫核裂變,如原子彈爆炸；如果是由輕的原子核變化為重的原子核,叫核聚變，如太陽發(fā)光發(fā)熱的能量來源。

相比核裂變，核聚變幾乎不會帶來放射性污染等環(huán)境問題，而且其原料可直接取自海水中的氘,來源幾乎取之不盡，是理想的能源方式。?

目前人類已經(jīng)可以實現(xiàn)不受控制的核聚變，如氫彈的爆炸。但是要想能量可被人類有效利用,必須能夠合理的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.科學家正努力研究如何控制核聚變，但是現(xiàn)在看來還有很長的路要走。

目前主要的幾種可控核聚變方式:??超聲波核聚變?

激光約束（慣性約束)核聚變

?磁約束核聚變（托卡馬克）??核聚變的另一定義??比原子彈威力更大的核武器—氫彈,就是利用核聚變來發(fā)揮作用的。核聚變的過程與核裂變相反,是幾個原子核聚合成一個原子核的過程。只有較輕的原子核才能發(fā)生核聚變，比如氫的同位素氘（dａo)、氚(chuan）等.核聚變也會放出巨大的能量,而且比核裂變放出的能量更大。太陽內(nèi)部連續(xù)進行著氫聚變成氦過程，它的光和熱就是由核聚變產(chǎn)生的。?

核聚變能釋放出巨大的能量,但目前人們只能在氫彈爆炸的一瞬間實現(xiàn)非受控的人工核聚變。而要利用人工核聚變產(chǎn)生的巨大能量為人類服務(wù)，就必須使核聚變在人們的控制下進行，這就是受控核聚變.??實現(xiàn)受控核聚變具有極其誘人的前景。不僅因為核聚變能放出巨大的能量,而且由于核聚變所需的原料—-氫的同位素氘可以從海水中提取。經(jīng)過計算,１升海水中提取出的氘進行核聚變放出的能量相當于100升汽油燃燒釋放的能量。全世界的海水幾乎是“取之不盡”的，因此受控核聚變的研究成功將使人類擺脫能源危機的困擾。

但是人們現(xiàn)在還不能進行受控核聚變,這主要是因為進行核聚變需要的條件非常苛刻。發(fā)生核聚變需要在1億度的高溫下才能進行，因此又叫熱核反應(yīng)。可以想象，沒有什么材料能經(jīng)受得起1億度的高溫。此外還有許多難以想象的困難需要去克服。盡管存在著許多困難，人們經(jīng)過不斷研究已取得了可喜的進展。科學家們設(shè)計了許多巧妙的方法，如用強大的磁場來約束反應(yīng)，用強大的激光來加熱原子等?？梢灶A(yù)計，人們最終將掌握控制核聚變的方法,讓核聚變?yōu)槿祟惙?wù).

?利用核能的最終目標是要實現(xiàn)受控核聚變.裂變時靠原子核分裂而釋出能量.聚變時則由較輕的原子核聚合成較重的較重的原子核而釋出能量。最常見的是由氫的同位素氘(讀＂刀"，又叫重氫）和氚（讀"川"，又叫超重氫)聚合成較重的原子核如氦而釋出能量。核聚變較之核裂變有兩個重大優(yōu)點。一是地球上蘊藏的核聚變能遠比核裂變能豐富得多.據(jù)測算，每升海水中含有0．0３克氘，所以地球上僅在海水中就有４5萬億噸氘。1升海水中所含的氘,經(jīng)過核聚變可提供相當于300升汽油燃燒后釋放出的能量。地球上蘊藏的核聚變能約為蘊藏的可進行核裂變元素所能釋出的全部核裂變能的１000萬倍,可以說是取之不竭的能源。至于氚，雖然自然界中不存在,但靠中子同鋰作用可以產(chǎn)生，而海水中也含有大量鋰.??第二個優(yōu)點是既干凈又安全.因為它不會產(chǎn)生污染環(huán)境的放射性物質(zhì)，所以是干凈的。同時受控核聚變反應(yīng)可在稀薄的氣體中持續(xù)地穩(wěn)定進行,所以是安全的。??目前實現(xiàn)核聚變已有不少方法。最早的著名方法是”托卡馬克"型磁場約束法.它是利用通過強大電流所產(chǎn)生的強大磁場，把等離子體約束在很小范圍內(nèi)以實現(xiàn)上述三個條件。雖然在實驗室條件下已接近于成功，但要達到工業(yè)應(yīng)用還差得遠。按照目前技術(shù)水平,要建立托卡馬克型核聚變裝置,需要幾千億美元.?

另一種實現(xiàn)核聚變的方法是慣性約束法。慣性約束核聚變是把幾毫克的氘和氚的混合氣體或固體,裝入直徑約幾毫米的小球內(nèi)。從外面均勻射入激光束或粒子束,球面因吸收能量而向外蒸發(fā)，受它的反作用,球面內(nèi)層向內(nèi)擠壓（反作用力是一種慣性力,靠它使氣體約束,所以稱為慣性約束），就像噴氣飛機氣體往后噴而推動飛機前飛一樣，小球內(nèi)氣體受擠壓而壓力升高，并伴隨著溫度的急劇升高。當溫度達到所需要的點火溫度(大概需要幾十億度）時，小球內(nèi)氣體便發(fā)生爆炸,并產(chǎn)生大量熱能。這種爆炸過程時間很短，只有幾個皮秒（１皮等于1萬億分之一)。如每秒鐘發(fā)生三四次這樣的爆炸并且連續(xù)不斷地進行下去,所釋放出的能量就相當于百萬千瓦級的發(fā)電站.?

原理上雖然就這么簡單，但是現(xiàn)有的激光束或粒子束所能達到的功率,離需要的還差幾十倍、甚至幾百倍，加上其他種種技術(shù)上的問題,使慣性約束核聚變?nèi)允强赏豢杉暗摹?/p>

?盡管實現(xiàn)受控熱核聚變?nèi)杂新L艱難的路程需要我們征服,但其美好前景的巨大誘惑力，正吸引著各國科學家在奮力攀登。??補充內(nèi)容：?

每克氘聚變時所釋放的能量為５。8×１0８ｋJ，大于每克Ｕ－23５裂變時所釋放的能量（8．2×１０７KＪ）。從能源的角度考慮,核聚變有幾個方面比核裂變優(yōu)越：其一，聚變產(chǎn)物是穩(wěn)定的氦核，沒有放射性污染產(chǎn)生，沒有難于處理的廢料；其二，聚變原料氘的資源比較豐富，在海水中氘和氫之比為1。5×１0—4∶1，地球上海水總量約為1０18噸,其中蘊藏著大量的氘，提煉氘比提煉鈾容易得多。遺憾的是這個聚變反應(yīng)需要非常高的溫度，以克服兩個帶正電的氘核之間的巨大排斥力（從理論計算,要克服這種庫侖斥力需要109℃的高溫)。氫彈的制造原理,就是利用一個小的原子彈作為引爆裝置,產(chǎn)生瞬間高溫引發(fā)上述聚變反應(yīng)發(fā)生強烈爆炸。氫元素的幾種同位素之間能發(fā)生多種聚變反應(yīng),這種變化過程存在于宇宙之間，太陽輻射出來的巨大能量就來源于這類核聚變.但我們目前尚沒有辦法在地球上利用這類核聚變發(fā)電,怎樣能取得這樣高的溫度?用什么材料制造反應(yīng)器?怎樣控制聚變過程等各種問題尚無答案。??補充:我國核聚變裝置的最新消息:?新華網(wǎng)合肥9月２８日電（記者喻菲蔡敏程士華）世界領(lǐng)先的中國新一代熱核聚變裝置EAＳT２8日首次成功完成了放電實驗，獲得電流200千安、時間接近3秒的高溫等離子體放電。

負責這一項目的中國科學院等離子體所所長李建剛研究員在接受新華社記者采訪時說,此次實驗實現(xiàn)了裝置內(nèi)部1億度高溫，等離子體建立、圓截面放電等各階段的物理實驗,達到了預(yù)期效果。

?工藝鑒定組專家、中科院基礎(chǔ)科學研究局金鐸研究員在實驗后的新聞發(fā)布會上宣布，EAＳT通過國家“九五”大科學工程工藝鑒定.參與EASＴ研究合作的美國通用原子能公司蓋瑞·杰克遜博士說:“ＥAST成為世界上第一個建成并真正運行的全超導非圓截面核聚變實驗裝置,它將在未來１0年內(nèi)保持世界先進水平?！??據(jù)了解，EＡST裝置是中國耗時8年、耗資２億元人民幣自主設(shè)計、自主建造而成的.?

記者在實驗控制室看到，這個近似圓柱形的大型物體由特種無磁不銹鋼建成,高約１2米、直徑約５米,據(jù)介紹其總重量達400噸。

?李建剛研究員說，與國際同類實驗裝置相比,ＥAST是使用資金最少、建設(shè)速度最快、投入運行最早、運行后獲得等離子放電最快的先進核聚變實驗裝置。?

“這意味著人類在核聚能研究利用領(lǐng)域取得重大進步,也標志著中國在這一領(lǐng)域進入國際先進水平”,李建剛說.??人們認識熱核聚變是從氫彈爆炸開始的.氫彈爆炸時釋放出極大的能量,給人類帶來的是災(zāi)難。而科學家們卻希望發(fā)明一種裝置，可以有效地控制“氫彈爆炸"的過程，讓能量持續(xù)穩(wěn)定的輸出,以解決人類面臨的能源短缺危機。

美、法等國在20世紀80年代中期發(fā)起了耗資４6億歐元的國際熱核實驗反應(yīng)堆（IＴER）計劃,旨在建立世界上第一個受控熱核聚變實驗反應(yīng)堆，為人類輸送巨大的清潔能量。這一過程與太陽產(chǎn)生能量的過程類似,因此受控熱核聚變實驗裝置也被俗稱為“人造太陽"。

?中國于20０3年加入ＩTER計劃。位于安徽合肥的中科院等離子體所是這個國際科技合作計劃的國內(nèi)主要承擔單位，其研究建設(shè)的EＡSＴ裝置穩(wěn)定放電能力為創(chuàng)記錄的１0００秒，超過世界上所有正在建設(shè)的同類裝置.?

EAＳT大科學工程總經(jīng)理萬元熙人造太陽所謂“人造太陽”，即先進超導托卡馬克實驗裝置,也即國際熱核聚變實驗堆計劃（ITＥＲ)建設(shè)工程，是當今世界迄今為止最大的熱核聚變實驗項目，旨在在地球上模擬太陽的核聚變,利用熱核聚變?yōu)槿祟愄峁┰丛床粩嗟那鍧嵞茉?核聚變能以氘氚為燃料,具有安全、潔凈、資源無限3大優(yōu)點，是最終解決我國乃至全人類能源問題的戰(zhàn)略新能源。編輯本段中國的參與與研究EAST是先進超導托卡馬克實驗裝置（ExpｅｒimｅntaｌAdvanceｄsuperｃonductinｇtoｋmａｋ）的英文縮寫。委員會評估認為它將是世界上第一個同時具有全超導磁體和主動冷卻結(jié)構(gòu)的托卡馬克，能實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運行。委員會對工程進展速度、研制質(zhì)量和對關(guān)鍵部件的測試，尤其是對全部由等離子體所自行研制的超導磁體，留下了非常深刻的印象。委員會強烈吁請中國科學院和國家科技部給予長期的、充足的、持續(xù)的支持。人們認識熱核聚變是從氫彈爆炸開始的。氫彈爆炸時釋放出極大的能量,給人類帶來的是災(zāi)難。而科學家們卻希望發(fā)明一種裝置,可以有效地控制「氫彈爆炸」的過程，讓能量持續(xù)穩(wěn)定的輸出。科學家們把這類裝置比喻為「人造太陽」,因為它可以像太陽一樣,為人類提供一種無限的、清潔的和安全的能源。中科院等離子體物理研究所研制的「EAST」裝置就是這樣的一種實驗設(shè)備.據(jù)有關(guān)專家介紹，等離子體長時間穩(wěn)定運行是實現(xiàn)控制核聚變的前提條件之一，但在目前世界上的「人造太陽」實驗裝置上，等離子體穩(wěn)定運行的時間都很短，短的只有幾秒鐘，最長的也只有四分多鐘,而「EAST」裝置由于采用了先進的非圓切面和全超導技術(shù)，等離子體穩(wěn)定運行的時間可達十六分鐘，是迄今為止世界上能讓等離子體運行時間最長的「人造太陽」實驗裝置。專家們認為，這一實驗裝置可為歐、美、日、中等七方正在談判籌建中的「國際熱核聚變實驗堆」建設(shè)提供直接經(jīng)驗，并為未來聚變實驗堆提供重要的工程和物理實驗基礎(chǔ)。中科院等離子體物理研究所所長李建剛說，雖然「人造太陽」的奇觀在實驗室中已經(jīng)出現(xiàn)，但離真正的商業(yè)運行還有相當長的距離,「人造太陽」所發(fā)出的電能在短時間內(nèi)還不可能進入人們的家中。但他預(yù)測，根據(jù)目前世界各國的研究狀況，這一夢想最快有可能在五十年后實現(xiàn)。2000年１０月正式開工建設(shè),國家投資1．65億元。它是世界上第一個具有非圓截面的全超導托卡馬克，該項目的科學目標旨在探索近堆芯條件下等離子體穩(wěn)態(tài)運行模式，從而為未來穩(wěn)態(tài)運行的先進托卡馬克核聚變反應(yīng)堆提供重要的工程技術(shù)和物理基礎(chǔ)。中科院合肥研究院等離子體所的科研人員經(jīng)過8年艱苦努力,于2０06年初成功進行了裝置的工程聯(lián)調(diào)，自２００6年9月起開始轉(zhuǎn)入物理實驗階段,現(xiàn)已成功開展了兩輪物理實驗，在全超導磁體穩(wěn)定運行條件下，獲得了最大電流5０0千安、９秒重復放電、大拉長比偏濾器等離子體等多項實驗成果。在經(jīng)費有限、工程建設(shè)時間緊迫,特別是國內(nèi)超導工業(yè)基礎(chǔ)薄弱、缺乏相關(guān)技術(shù)儲備的條件下，EAＳT團隊完成了十幾個子系統(tǒng)的研發(fā),在大型超導磁體的設(shè)計、制造、性能測試、精密加工等方面取得了重大突破，除少量國內(nèi)沒有條件生產(chǎn)的,如超導線和低溫閥門等材料和部件進口外,獨立自主加工制造了超導托卡馬克所有核心部件和絕大多數(shù)的關(guān)鍵設(shè)備,其自主研發(fā)部分大于９0%,實現(xiàn)了EAＳT裝置的安裝調(diào)試運行放電一次成功。該項目工程在建設(shè)過程中自主發(fā)展了65項關(guān)鍵技術(shù)和新技術(shù)，形成了一系列技術(shù)生長點，創(chuàng)造了多個國內(nèi)乃至國際第一。如鎧裝電纜超導導體（CＩＣC)是EAST全超導托卡馬克的最重要的核心部件,為了滿足工程需要,等離子體所自主生產(chǎn)了EAST所需的總長度達35公里的大電流CＩＣC導體,這不但使中國的CＩCC制造技術(shù)處在世界先進行列，產(chǎn)量達世界第一,同時創(chuàng)造性地發(fā)展了無焊瘤管—管對接焊技術(shù)、薄壁焊縫超聲波檢測技術(shù)等一整套大型超導磁體制造工藝,全面提升了我國大型超導磁體設(shè)計、制造和綜合實驗測試能力.相關(guān)的設(shè)計理念和工藝技術(shù)創(chuàng)新還包括大型超導磁體的設(shè)計和制造、大規(guī)模超低溫制冷技術(shù)、任意可控的急劇變化大電流設(shè)備技術(shù)等，這些都屬國內(nèi)首創(chuàng)并達到國際先進水平。EＡST裝置的建設(shè)和投入運行為國內(nèi)外聚變研究搭建起了一個重要的研究平臺。目前，等離子體所已同中國科技大學、清華大學、核工業(yè)西南物理研究院等１６個大學、研究機構(gòu)建立了20多個工作組，與國外1４個著名研究所簽署了雙邊合作協(xié)議，聯(lián)合科學家小組近40個,一個以我為主的國際合作局面初步形成。編輯本段原理受控熱核聚變的條件是必須加熱燃料到億萬度的高溫，把燃料約束到一個局部的小空間中.什么物質(zhì)的器皿能夠盛裝上億度的高溫燃料？這成為當前最主要的難題。耐火磚、不銹鋼都不可行，必須采用特殊方式來約束聚變?nèi)剂?如果沒有物質(zhì)的器皿盛裝上億度高溫的等離子體聚變?nèi)剂希煞裼么艌鰳?gòu)造一個磁的容器來盛裝?這就產(chǎn)生了托卡馬克這類磁約束聚變裝置.使用這個裝置，其外面大量的大線圈和磁體會產(chǎn)生一個環(huán)形的磁容器，在這個磁容器里面約束、加熱聚變的燃料，讓它發(fā)生聚變反應(yīng)。過去的60年,近１00個大大小小的托克馬克一點點地貢獻了不同特點的技術(shù)，才使得我們敢于去建造越來越大的托克馬克聚變裝置。如何克服巨大的靜電斥力將原子核聚到一起，還要將它們的密度維持在一定水平以防不安全的能量爆發(fā)(如氫彈就是不可控的核聚變）.前蘇聯(lián)科學家在20世紀50年代初率先提出磁約束的概念，并在1９54年建成了第一個磁約束裝置—形如中空面包圈的環(huán)形容器“托克馬克（Toｋamａk）”,又稱環(huán)流器。一般情況下，在超過1０萬攝氏度的磁場中,原子中的電子就脫離了原子核的束縛，形成等離子體。帶電粒子會沿磁力線做螺旋式運動,所以等離子體就這樣被約束在這種環(huán)形的磁場中,也叫磁籠。億萬年來，地球上的萬物靠著太陽源源不斷的能量維持自身的發(fā)展。在太陽的中心，溫度高達１５00萬攝氏度,氣壓達到3000多億個大氣壓。在這樣的高溫高壓條件下，氫原子核聚變成氦原子核,并放出大量能量。幾十億年來，太陽猶如一個巨大的核聚變反應(yīng)裝置，無休止地向外輻射著能量。核聚變能是兩個較輕的原子核結(jié)合成一個較重的原子核時釋放的能量，產(chǎn)生聚變的主要燃料之一是氫的同位素氘.氘廣泛分布在水中，每升水約含3０毫克氘，通過聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量相當于300升汽油的熱能。采集氘并使之與相關(guān)物質(zhì)聚變產(chǎn)生能量，就是“人造太陽”的原理。根據(jù)科學家的分析，如果我們未來能建成一座１00０兆瓦的核聚變電站,每年只需從海水中提取304公斤的氘就可產(chǎn)生1000兆瓦的電量.照此計算，地球上僅在海水中就含有４5萬億噸氘，足夠人類使用上百億年，比太陽的壽命還要長。未來的穩(wěn)態(tài)運行的熱核聚堆用于商業(yè)運行后，所產(chǎn)生的能量夠人類用數(shù)億年乃至數(shù)十億年.從長遠來看，核能將是繼石油、煤和天然氣之后的主要