聚变反应堆

2013年01月23日 来源： 中国科技网 作者： 郑焕斌 http://www.stdaily.com/stdaily/pic/attachement/jpg/site2/20130122/021358868035328_change_chd31233_b.jpg 今日视点 据《科学》杂志网站近日报道，欧盟负责聚变研发工作的机构——欧洲聚变发展协会（EFDA）发布了欧盟聚变示范电站（DEMO）设计与开发路线图，计划于2050年建成一座未来可供工业界使用的原型聚变电站。该路线图列出了一份令人生畏的技术清单，其中包括全球聚变科学家和工程师未来数十年需要努力应对的若干技术挑战。 ITER将是聚变发电的主要突破 2006年，由中国、欧盟、印度、日本、俄罗斯、韩国和美国等7个成员国参加的“国际热核聚变实验堆（ITER）计划”正式启动。聚变反应堆利用的是氢同位素（氘和氚）的核聚变反应所释放的能量，这也是太阳和其他恒星的能量来源。利用可控聚变能是解决全球能源和环境问题的一个重要途径，而实现聚变反应堆商业化运行需要三个阶段：即建造ITER装置并据此进行科学和工程研究；设计、建造与运行聚变示范电站；建造商业化聚变反应堆。ITER装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托克马克，俗称“人造太阳”。其中心是高温氘氚等离子体环，等离子体环在屏蔽包层的环型包套中，屏蔽包层将吸收核聚变反应产生的所有中子。根据该计划目前的进展，建造于法国的聚变反应堆将于6年后投入运行，它被认为是人类发展聚变能的主要突破。 在聚变反应堆中，需要利用强磁体、无线电波和粒子束等将聚变燃料等离子体压缩并加热到至少1.5亿摄氏度，使等离子体发生聚变反应。这需要消耗巨大能量，但迄今为止尚没有一座反应堆能够产生净能量增益（即产出能量大于输入能量）。科学家期望ITER能够突破上述障碍，输入50兆瓦（1兆相当于100万）的能量可以产生500兆瓦的聚变功率，其持续时间可保持数分钟。但这仅是一种科学验证，ITER本身将不能被用来发电，发电重任将交给其后继者——聚变示范电站。 然而，目前研究人员才刚开始考虑聚变示范电站的设计工作。从目前的各种迹象来看，聚变示范电站的设计和建造工作将不会被纳入全球性的合作计划。最近韩国宣布它正在从事聚变示范电站（K-DEMO）的初步设计工作；中国也已开始设计“中国聚变工程测试反应堆”，这是介于ITER和聚变示范电站之间的中间步骤。欧洲聚变发展协会制定的路线图虽并未排除国际合作，但将所有研究工作限定在欧盟2014年到2020年聚变预算范围之内。 欧盟聚变示范电站研发路线图 该路线图认为，人类在利用聚变发电方面取得进展的关键在于ITER，因此需要倾力确保其成功，其中包括研究现有小型反应堆的各种运营方案。路线图指出，最大的技术挑战是如何从未来的聚变反应堆中排除核反应后的废气。 ITER和其他类似的现代反应堆底部都有一个偏滤器，其作用之一就是从等离子体容器中卸去乏燃料。当等离子体接触到偏滤器固态表面时，它将吸收大量热量。ITER偏滤器是由不锈钢制成，外表用钨层覆盖。在研究用反应堆中，由于其正常运行时的能量较低，且每次运行时间最多为数分钟，这种偏滤器可以正常工作。但聚变示范电站在正常运行时将会持续产生吉瓦级（1吉瓦等于1000兆瓦）的能量，常规的偏滤器无法承受如此高的热载。因此，路线图指出，研究人员必须开发其他备用设计方案。替代方案可能会设法扩大等离子体与偏滤器的接触面积以减少热载，或允许等离子体在接触偏滤器前辐射出更多热量。欧洲聚变发展协会指出，未来需要利用现有合适的托克马克装置或专门新建的测试设施对替代方案进行测试。 另一个技术挑战是，利用何种材料制造 反应堆内等离子体容器的结构、表面覆层和面向等离子体部件。聚变堆中等离子体发射的高能中子、电磁辐射对上述材料具有强烈作用，因而需要开发出能够在数十年内承受中子不间断轰击的材料，但现有中子源的强度都不能满足这种测试的需求。科学家正在研发一种以基于加速器的中子源（ITER计划的一部分），但欧洲聚变发展协会认为不久就需要研发其他中子源。 欧洲聚变发展协会还需要对“产氚包层（也称实验包层）”进行深入研究。产氚包层是等离子体容器壁的一部分，反应堆产生的中子在此将锂转变为核燃料氚。需要开发替代方案的包层设计，以应对拟在ITER进行测试的包层设计可能出现的失败。该路线图要求工业界更多地参与聚变示范电站的各项设计和建造工作，因为一旦这些工作完成之后，工业界就必须承担发展聚变能的重任。此外，还需要加强等离子体理论和建模等各项工作。 作为最主要的备用计划，路线图倡导继续坚持仿星器的设计和开发工作。仿星器是一种替代性聚变反应堆，其最大优点是能够连续稳定地运行。上世纪60年代当托克马克受到人们青睐时，对其重视程度有所降低。德国的温特尔斯坦仿星器7-X（即W7-X）将于2014年建成，科学家在W7-X反应堆安装了一种叫“仿星器”的设备，旨在模仿恒星内部持续不断的核聚变反应。（记者 郑焕斌 综合外电） 《科技日报》（2013-1-23 二版）

科技日报 2012年05月03日 星期四 本报驻美国记者 毛黎http://bbs.myboyan.com/attachment/Fid_78/78_235857_3fb134cbe8e3d91.jpg托卡马克核聚变环装置 长期以来，有一神奇的现象导致研究人员无法实现可控自持续核聚变反应。然而，最近美国物理学家表示，他们可能找到了解决该谜团的途径。研究人员认为，如果新提出的解决方式被实验验证是正确的话，那么将帮助人们消除核聚变发展的一个主要障碍，使核聚变成为清洁且丰富的电力来源。 核聚变遭难题 美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室的科学家在一项深入分析中，将目标锁定于核聚变实验中高温带电气体——等离子体内那些微小的、如同气泡的、被称为岛屿的区域。这些岛屿含有能让等离子体降温的杂质。科学家认为，正是这些岛屿构成了人们熟悉的“热密度界限”问题的基础，它阻碍了核聚变反应堆最高效运行。 当等离子体的温度和密度足够高时，包含在其中的原子核结合并释放出能量，形成了人们所说的核聚变。然而，在托卡马克环实验反应堆中的等离子体达到神秘的“热密度界限”时，等离子体能旋转形成闪光，温度下降。 科学家认为，等离子体中出现众多岛屿带来了双重破坏。除了导致等离子体温度下降外，这些岛屿还如同防护罩那样阻止更多的能量来加热岛屿内的等离子体。当从岛屿中溢出的能量超过人们能够通过欧姆加热过程为等离子体添加的能量时，平衡被打破。当岛屿生长到足够大时，用于帮助加热和束缚等离子体加热的电流出现崩溃，等离子体四散开来。 大卫·盖茨是美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室的物理学家，他和实验室博士后研究员、来自麻省理工学院等离子体科学核聚变中心的访问学者路易斯·德尔嘎多-阿帕瑞奇欧共同提出了解决核聚变“热密度界限”问题的方案。盖茨表示，令人不解的是为何给等离子体增加更多的热能却仍然无法让其达到更高的热密度，这点十分关键，因为热密度是实现核聚变的重要参数。 归纳出新知 盖茨称他们偶然发现的理论为“10分钟‘啊哈’时刻”。通过将注意力放在等离子体中的岛屿和带走能量的杂质，他们在办公室白板上推算出了对应的方程式。杂质源于等离子体冲击托卡马克环壁时产生的粒子。德尔嘎多-阿帕瑞奇欧表示，当等离子体的密度达到神秘的“热密度界限”时，等离子体中便出现了众多含有杂质的岛屿并发生瓦解。 麻省理工学院物理学家马丁·格林沃德推导出描述“热密度界限”的方程，因而“热密度界限”也称“格林沃德界限”。对出现“热密度界限”的原因，格林沃德有着自己的解释，他认为，当湍流出现能引起等离子体边缘冷却并将过多离子挤压进等离子体核心狭小空间的起伏时，就会出现“热密度界限”，导致电流不稳定和崩溃。他表示，有相当多的证据能够验证他的观点，但同时他承认其观点也有不足之处，并欢迎新的思想。盖茨和德尔嘎多-阿帕瑞奇欧提出的理论代表着试图解决“热密度界限”的新途径。 盖茨和德尔嘎多-阿帕瑞奇欧将过去数十年中人们掌握的线索整合起来建立了他们的研究模型。盖茨本人是1993年在位于英国阿宾顿的卡尔汉姆核聚变能源中心做博士后研究时首次听说“热密度界限”的。早期，“热密度界限”曾以卡尔汉姆核聚变能源中心科学家简·胡吉尔命名，胡吉尔向盖茨详细地介绍了“热密度界限”。 对于等离子体岛屿问题，科学家曾单独地发表了论文。上世纪80年代中期，法国物理学家保罗-亨利·芮布特在一次会议上介绍了辐射形成的岛屿，但是没有刊登在杂志上。大约10年后，德国物理学家沃尔夫冈·苏特偌普推测岛屿与“热密度界限”相关。盖茨表示，苏特偌普虽然没有将等离子体岛屿直接与“热密度界限”联系起来，但是他的研究文章事实上启发了自己的研究。1996年，盖茨与苏特偌普同在德国马普等离子体物理研究所从事过托卡马克实验，转年才进入普林斯顿等离子体物理实验室工作。 2011年初，关于等离子体岛屿问题几乎从盖茨脑海中消失。然而，与德尔嘎多-阿帕瑞奇欧进行的一次涉及Alcator C-Mod托卡马克中等离子体发生岛屿的交谈，重新点燃了他对该问题的兴趣。德尔嘎多-阿帕瑞奇欧提到普林斯顿等离子体物理实验室的科学家在上世纪80年代首次观察到等离子体中出现螺丝锥形状气团的现象，德国物理学家亚瑟·韦勒为报告此现象的第一人。 在交谈后，盖茨让德尔嘎多-阿帕瑞奇欧查阅芮布特和苏特偌普的文章。8个月后，德尔嘎多-阿帕瑞奇欧给盖茨发送了一份电子邮件，阐述了螺丝锥形状气团的行为。最让盖茨感到激动的是暗示着“热密度界限”的岛屿生长方程，它是对英国物理学家保罗·卢瑟福基于上世纪80年代相关研究推导出的方程式进行修改而来。盖茨认为，如果苏特偌普对岛屿的认识是准确的，那么这个方程应该描述的是“热密度界限”。 盖茨和德尔嘎多-阿帕瑞奇欧在办公室中进行演算时发现，他们并不需要整个方程式，仅仅将重点集中在等离子体电子密度和岛屿热辐射，便推导出描述热损耗超过电子密度的方程式。这转而帮助他们寻找到了有望是隐藏在“热密度界限”背后的机理。 在谈及科学家过去为何没能获得类似的热密度界限理论时，盖茨认为，答案在于相关的研究思想渗透或传播至科学界的过程。热辐射形成岛屿的观点从没有公开得到大量的报道，人们仅仅视其为有趣的观点。人们通常通过出版物传播信息，然而“热密度界限”的理念最初没有传播开来。 盖茨和德尔嘎多-阿帕瑞奇欧希望能够在麻省理工学院名为Alcator C-Mod的托卡马克核聚变环装置以及圣地亚哥通用原子公司的DⅢ-D托卡马克环上，通过实验验证他们的理论。其中的目标之一是他们打算了解能否通过直接向等离子体的岛屿注入能量让其具有更高的密度。如果能够提高密度，那么未来的托卡马克环就能达到极高的热密度，实现核聚变所需的1亿摄氏度的温度。 征服“热密度界限”难题将为未来托卡马克环装置实现自持续核聚变反应发电提供改进的途径，这其中包括取代国际热核实验反应堆（ITER）的核聚变装置。国际热核实验反应堆由欧共体、美国及其他5个国家共同支持建造，其造价达200亿美元。 （本报华盛顿5月1日电）

一、核聚变的原理　　核聚变，又称核融合，是指由质量小的原子，比方说氘和氚，在一定条件下(如超高温和高压)，发生原子弹互相聚合作用，生成中子和氦，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。由较轻的原子核变化为较重的原子核，称为核聚变，就像我们每天见到的发光发热的太阳。二、核聚变发电的优势　　我们目前所使用的常规能源都存在着种种缺陷，如环境的污染、资源不可再生而面临的枯竭，而风能和太阳能所能提供的电力也是有限的，利用核裂变原理而建成的核电站所产生的核废料都要严格监测，不然就会贻害千年。　　核聚变发电的优势则相当明显了，就海洋中的氘资源几乎是取之不尽用之不竭，核聚变最理想的氦3虽然在地球上找不到，但在月球上却是应有尽有，所以不用担心面临能源枯竭的问题。　　相比核裂变，核聚变所释放出来的能量就要强得多，而且不会产生放射性的核废料，所产生的核辐射也要小得多，因此，核聚变是一种清洁高效的能源。可以这样认为：核聚变电站可以一劳永逸地解决全球变暖问题。　　核能是一种令人生畏的能量，原子核虽然小，但微小的质量亏损在乘以光速的平方后将会获得巨大的能量(质能方程E=mc2)，只要我们能够控制住它，将这股能量缓缓放出，将会获得比核裂变更加巨大的能量。三、核聚变发电的难点　　核聚变有着我们现有能源没有的优点，但是直到目前为止，人类还没有完全掌握到控制它的技术，要想获得核聚变装置必须突破非常多的瓶颈。　　核聚变的反应需要近亿摄氏度的高温才能进行，原子弹爆炸可以达到这个温度，所以第一颗氢弹爆炸的时候是首先利用原子弹爆炸的高温来触发核聚变的起燃器。不过到目前，激光技术的发展使得核聚变“点火”的问题得到了解决的可能，除此以外，超高额的微波加热也可以达到这个温度。　　其次，核聚变进行的高温下具有很高的内能，也就意味着将会出现各种各样的能量丧失机制。聚变的方式也存在着各种各样的不稳定性。这些基本科学问题没有解决，核聚变发电就实现不了。　　而且，装置材料问题是核聚变发电必须要解决的问题，聚变产生的中子撞击、核聚变原料的沉积也会对装置材料产生破坏，如果解决不了，即使建成了核聚变反应堆也不知道能够运行多久。　　还有就是它的辐射问题，即使相对核裂变的辐射要小，也还是存在着，这也给核聚变制造了一个大障碍。四、未来核聚变发电的走向　　当我们的常规能源枯竭，风能、太阳能不能满足我们的需要，核聚变发电就是我们的明日之星。如今不少国家都在研究受控热核反应的理论和技术，美国、俄罗斯、日本和西欧国家都取得了进展。中国也在积极发展核聚变技术，并且称为世界上第一个建成并正真运行的全超导非圆截面的核聚变试验装置，已经处于世界领先水平。　　也许在未来的二十年内，我们可以看到核聚变发电的曙光。在更远一点的时间，我们会获得可以真正有价值的核聚变电站。