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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。

Abstract

Withthedevelopingofindustryandmodernsociety,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－