熱核聚變技術

熱核聚變技術，核聚變，即氫原子核（氘和氚）結合成較重的原子核（氦）時放出巨大的能量。熱核反應是氫彈爆炸的基礎，可在瞬間產生大量熱能，但目前尚無法加以利用。如能使熱核反應在一定約束區域內，根據人們的意圖有控制地產生與進行，即可實現受控熱核反應。這正是目前在進行試驗研究的重大課題。受控熱核反應是聚變反應堆的基礎。聚變反應堆一旦成功，則可能向人類提供最清潔而且又是取之不盡的能源。

基本介紹

• 中文名：熱核聚變技術
• 外文名：Thermonuclear fusion technology
• 別稱：核聚變
• 提出者：國際熱核聚變實驗堆計畫
• 套用學科：核物理
• 適用領域範圍：能源、武器

簡介

熱核聚變技術，作為面向未來的熱核聚變技術，也許需要30年到50年以後才能夠成為穩定的能源供應。中國正積極參與到國際能源科技合作項目ITER計畫中，同時還超前部署國內相關的技術研發工作。

原理

熱核聚變是指由質量小的原子，主要是指氘或氚，在一定條件下（如超高溫和高壓），發生原子核互相聚合作用，生成新的質量更重的原子核，並伴隨著巨大的能量釋放的一種核反應形式。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，如核子彈爆炸；如果是由輕的原子核變化為重的原子核，叫核聚變，如太陽發光發熱的能量來源。

套用

1、可控核聚變的發生條件，產生可控核聚變需要的條件非常苛刻。我們的太陽就是靠核聚變反應來給太陽系帶來光和熱，其中心溫度達到1500萬攝氏度，另外還有巨大的壓力能使核聚變正常反應，而地球上沒辦法獲得巨大的壓力，只能通過提高溫度來彌補，不過這樣一來溫度要到上億度才行。核聚變如此高的溫度沒有一種固體物質能夠承受，只能靠強大的磁場來約束。此外這么高的溫度，核反應點火也成為問題。

2、核聚變的反應裝置目前，可行性較大的可控核聚變反應裝置就是托卡馬克裝置。

托卡馬克是一種利用磁約束來實現受控核聚變的環性容器。它的名字Tokamak來源於環形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、線圈(kotushka)。最初是由位於蘇聯莫斯科的庫爾恰托夫研究所的阿齊莫維齊等人在20世紀50年代發明的。

托卡馬克的中央是一個環形的真空室，外面纏繞著線圈。在通電的時候托卡馬克的內部會產生巨大的螺旋型磁場，將其中的電漿加熱到很高的溫度，以達到核聚變的目的。中國也有兩座核聚變實驗裝置。

3、核聚變的優劣勢

優勢：

（1）.核聚變釋放的能量比核裂變更大

（2）.無高端核廢料

（3）.可不對環境構成大的污染，而且反應過程容易控制，核事故風險極低！

（4）.燃料供應充足，地球上重氫有10萬億噸（每1升海水中含30毫克氘，而30毫克氘聚變產生的能量相當於300升汽油）

（5）.無法用作核武器材料也就沒有了政治干涉！

劣勢：反應要求極高，技術要求極高

從理論上看，用核聚變製造武器和提供部分能源，是非常有益的。但目前人類還沒有辦法，對它們進行較好的利用。

對於核裂變，由於原料鈾的儲量不多，政治干涉很大，放射性與危險性大，核裂變的優勢無法完全利用。截至2006年，核能（核裂變能）發電占世界總電力約15%。說明了核裂變的套用的規模之大，更能說明優勢比核裂變更大的核聚變能源前景更加光明。科學家們估計，到2025年以後，核聚變發電廠才有可能投入商業運營。2050年前後，受控核聚變發電將廣泛造福人類。

ITER計畫

中國2006年11月21日，正式加入國際熱核聚變實驗堆(ITER)計畫，並與ITER計畫其他六方一道簽訂該計畫聯合實施協定及相關檔案，正式啟動實施ITER計畫。科技部官員表示，中國加入ITER計畫既是從根本上解決能源問題的戰略需要，也有多方面現實意義。

中國加入ITER計畫帶來的多項現實意義主要包括：一是ITER計畫是中國有史以來參加規模最大的國際科技合作項目，通過參加ITER的建造和運行，全面掌握相關知識和技術，使中國有可能在較短時間趕上磁約束聚變研究世界先進水平，大大加快中國聚變能開發進程。

二是ITER是核科學技術、超導技術、大功率微波技術、電漿技術、高能粒子束技術、複雜系統控制技術、機器人技術、精密加工技術等綜合集成，可拉動中國相關領域技術發展。

三是中國對ITER建造的貢獻中，將近百分之八十是以國內製造的實物部件形式實現，這對提高中國企業技術能力和國際競爭力也是個難得的機會。

四是中國全面參加ITER建設和實驗，可全面掌握ITER的知識和技術，從而培養一批聚變工程和科研人才。

五是中國參加實施ITER計畫，配合國內必要的基礎研究、聚變反應堆材料研究、聚變堆某些必要技術研究，有可能在較短時間、用較小投資使中國核聚變能研究在整體上進入世界前沿，為中國自主開展核聚變示範電站研發奠定基礎。

ITER計畫是目前世界上僅次於國際空間站的又一個國際大科學工程計畫。該計畫將集成當今國際上受控磁約束核聚變的主要科學和技術成果，首次建造可實現大規模聚變反應的聚變實驗堆，是人類受控核聚變研究走向實用的關鍵一步，因此備受各國政府與科技界的高度重視和支持。

項目建設

雖然計畫和願望是美好的，但是自1985年美、蘇和歐洲開始籌劃設計以來，經歷了35年的時間，在此期間經歷了太多的磨難，這項預期耗資100億的項目，所需要的開支越來越龐大，使得世界各國有些不堪重負。目前總共有7方參與這個計畫，包括歐盟、中國、美國、日本、韓國、俄羅斯和印度等33個國家，此前加拿大曾參與其中，但隨後退出，其退出的原因也是因為它的耗資太過巨大，超出了加拿大的承受能力。

與此同時的是，在實驗過程中，這項計畫也遭遇到了非常嚴重的困難，很多技術上的難題難以解決。一位熱核科學家表示，在2020年之前這項實驗可能無法啟動，如果要想發電至少要等到2040年。這樣的時間表，使得參與該計畫的各國產生了猶豫。法國南部城市卡達拉舍的ITER項目建設基地綠色和平組織的首席英國科學家道格拉斯說道：“我們對這項計畫能否繼續實施真的非常懷疑，但這項計畫絕非是用金錢所能衡量的，我們要想擺脫能源危機，擺脫對碳的需求，就必須將這項計畫進行下去。”

國際熱核計畫的技術部副部長大衛-坎貝爾說道：“這的確是一個巨大的挑戰，我們都希望有支付終結的那一天，但目前來看，它的繼續進行的確需要更多的支持，而在未來，對我們的利好訊息就是它將接管發電。”

ITER項目建設在法國南部城市卡達拉舍（Cadarache），反應堆高一百八七英尺，而重量是2.3萬噸，是艾菲爾鐵塔的3倍。

項目進展

國際熱核聚變實驗堆（ITER）組織理事會正式通過了《基準檔案》，ITER組織理事會主席葉夫根尼·威利科夫表示，這標誌著ITER計畫進入決定性階段。

2010年7月28日，ITER組織發布公報稱，來自歐盟、中國、美國、日本、韓國、俄羅斯和印度七方的理事以及一名國際原子能機構的觀察員參加了27日至28日在該組織所在地、法國南部的卡達拉舍舉行的特別會議，最終通過了《基準檔案》，該檔案包括兩項重要內容，一是項目預算，二是項目時間表。

ITER是為驗證全尺寸可控核聚變技術的可行性而設計的，其原理類似太陽發光發熱，即在上億攝氏度的高溫條件下，利用氫的同位素氘、氚的聚變反應釋放出巨大能量，從而為人類提供可持續發展的潔淨能源。ITER實驗堆高度為24米，直徑30米，計畫產生電漿的體積為840立方米，維持時間為400秒，聚變能500兆瓦。輸出與輸入能量比最低為10∶1，最高可達到30∶1。

在時間表方面，ITER組織決定放棄其原定於2018年獲得第一個電漿的目標，將時間推遲為2019年11月。預計2026年之後才會開始關鍵的氘、氚核反應。在預算方面，歐盟將為該項目追加最多不超過85億美元的額外資助，該項目的總預算將達190億美元。

該會議也提名日本物理學家本島修為ITER組織新的總幹事，以接替從2005年11月起擔任ITER組織總幹事的池田要。

此外，ITER也將測試很多與聚變有關的關鍵技術，包括加熱、控制和遠程管理，這些都是全尺寸核反應需要的技術。如果ITER獲得成功，下一步將建立商用的反應堆，可能又再需要花費10年多的時間。

2006年5月24日，參與ITER計畫的七方草簽了與該計畫有關的一系列合作協定，同年11月簽署了ITER條約。2007年10月24日，該條約正式生效，標誌著ITER組織正式成立，ITER計畫進入正式實施階段。

EAST

簡介

EAST由實驗“Experimental”、先進“Advanced”、超導“Superconducting”、托卡馬克“Tokamak”四個單詞首字母拼寫而成，它的中文意思是“先進實驗超導托卡馬克”，同時具有“東方”的含意。EAST裝置是我國自行設計研製的國際首個全超導托卡馬克裝置。

最新進展

2017年7月4日，中國科學院電漿物理研究所宣布，國家大科學裝置——世界上第一個全超導托卡馬克(EAST)東方超環再傳捷報，實現了穩定的101.2秒穩態長脈衝高約束電漿運行，創造了新的世界紀錄。

這標誌著，EAST成為世界上第一個實現穩態高約束模式運行持續時間達到百秒量級的托卡馬克核聚變實驗裝置。

這一里程碑性的重要突破，表明我國磁約束聚變研究在穩態運行的物理和工程方面，將繼續引領國際前沿，對國際熱核聚變實驗堆(ITER)和未來中國聚變工程實驗堆(CFETR)建設和運行具有重大的科學意義，同時為人類開發利用核聚變清潔能源奠定了重要的技術基礎。