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1、核聚变反应堆工作原理与其他能源相比，核聚变反应堆有几项显著的优点，因而一直备受媒体的关注。它们的燃料来源十分充足，辐射泄漏也处于正常范围之内，与目前的核裂变反应堆相比，其放射性废物更少。然而迄今为止，还没有人将这一技术应用到实践中，但建造这种反应堆实际上已为期不远。目前，核聚变反应堆正处于试验阶段，世界各个国家及地区的多个实验室都开展了这项研究。ITER组织供图建立ITER核聚变反应堆工厂的建议地点-法国卡达拉什美国、俄罗斯、欧洲和日本经过协商，建议在法国卡达拉什建立一座名为国际热核试验堆(ITER)的核聚变反应堆，旨在研究通过持续核聚变反应来发电的可行性。在本文中，我们将介绍关于核聚变的知识
2、，并了解ITER反应堆的工作方式。目前的核反应堆利用核裂变来产生能量。在核裂变中，能量是通过一个原子分裂为两个原子来释放的。在传统的核反应堆中，铀的重原子在高能中子的轰击下发生裂变，这会生成巨大的能量，同时产生长期的辐射和放射性废物(详见核电站工作原理)。核聚变的能量是通过两个原子合并为一个原子而产生的。在核聚变反应堆中，氢原子发生聚变，进而形成氦原子、中子，并释放巨大的能量。氢弹和太阳的能量就是靠这种反应提供的。与核裂变相比，核聚变所产生的能量更加清洁、安全、高效，其能量来源也更为丰富。核聚变反应分为多种类型。其中大多数都涉及氢的同位素氘和氚:同位素同位素是指质子数和电子数相同，但中子数不同
3、的同一类元素的原子。下面是核聚变中一些常见的同位素:氕是带一个质子而没有中子的氢同位素。它是氢的最常见的一种形式，也是宇宙中最普遍的元素。氘是带一个质子和一个中子的氢同位素。它不具有放射性，可从海水中提取。氚是带一个质子和两个中子的氢同位素。氚具有放射性，半衰期约为10年。氚不会自然形成，但用中子轰击锂可产生氚。氦3是带有两个质子和一个中子的氢同位素。氦4是氦在自然界中最为普遍的一种形式，它带有两个质子和两个中子。质子-质子链-这一序列是太阳等恒星中最主要的核聚变反应模式。两对中子形成两个氘原子。每个氘原子与一个质子结合，生成一个氦3原子。两个氦3原子结合，生成不稳定的铍6。铍6衰变为两个氦4
4、原子。这些反应会生成高能粒子(质子、电子、中子、正电子)，并放出辐射(光线、伽马射线)。氘-氘反应-两个氘原子结合，生成一个氦3原子和一个中子。氘-氚反应-一个氘原子和一个氚原子结合，生成一个氦4原子和一个中子。其中大部分能量以高能中子的形式释放。从概念上讲，利用反应堆中的核聚变十分容易。但为了让这一反应以可控、无害的方式进行，科学家们历经周折。为了了解其中的缘由，我们需要先看一下发生核聚变的必要条件。当氢原子聚合时，它们的原子核必须结合在一起。然而，由于每个原子核中的质子都带有相同的电荷(正电)，因而会互相排斥。如果您曾试着将两块磁铁放在一起并感到它们互相推开，则意味着您已亲身体验了这一原理
5、。若要实现核聚变，需要创造一些特殊的条件来克服这种排斥力。下面是发生核聚变的一些必要条件:高温-高温可为氢原子提供足够的能量，以克服质子之间的电荷排斥。核聚变需要的温度约为1亿开(约是太阳核心温度的六倍)。在这样的高温下，氢的状态为等离子体，而不是气体。等离子体是物质的一种高能状态，其中所有电子都从原子中剥离出来，并可以自由移动。太阳的高温是由重力压缩核心的巨大质量而产生的。我们要制造出这样的高温，就必须利用微波、激光和离子粒子的能量。高压-压力可将氢原子挤在一起。氢原子之间的距离必须在1x10-15米以内，才能进行聚合。太阳利用其质量和重力将核心内的氢原子挤压在一起。我们要将氢原子挤压在一起
6、，必须使用强大的磁场、激光或离子束。借助目前的技术，我们只能实现发生氘-氚聚变所需的温度和压力。氘-氘聚变需要的温度更高，这种温度有可能在将来实现。基本上，利用氘氘聚变会更加方便，因为从海水中提取氘比从锂中提取氚要更加容易。另外，氘不具有放射性，而且氘氘反应可释放更多的能量。有两种方法可实现发生氢聚变所需的温度和压力:磁约束使用磁场和电场来加热并挤压氢等离子体。法国的ITER项目使用的就是这种方法。惯性约束使用激光束或离子束来挤压并加热氢等离子体。在美国劳伦斯利弗莫尔实验室的国家点火设施中，科学家们正在对这种试验方法展开研究。我们首先探讨磁约束。其工作原理如下:加速器释放出微波、带电粒子束和中
7、性粒子束，用于加热氢气的气流。在高温下，氢气从气态变为等离子体。这种等离子体受到超导磁体的挤压，进而发生聚变。在用磁场约束等离子体时，最有效的磁体形状是面包圈形(即环形)。等离子体环形室采用这种形状的反应堆称为Tokamak。ITERTokamak是一个独立式反应堆，其部件都装在不同的盒子中。进行维护时，工作人员可以方便地插入和拔出这些盒子，而不必拆开整个反应堆。该Tokamak的等离子体环形室将采用2米的内半径和6.2米的外半径。下面我们来详细考察ITER核聚变反应堆，看看磁约束是如何起作用的。ITERTokamak反应堆的主要组件包括:ITER供图ITERTokamak真空室-用于盛放等离
8、子体，并将反应室置于真空中中性束注入器(离子回旋系统)-将加速器释放的粒子束注入等离子体中，以便将等离子体加热到临界温度磁场线圈(极向环形)-用磁场来约束、定型和抑制等离子体的超导磁体变压器/中央螺线管-为磁场线圈供电冷却设备(冷冻机、低温泵)-用于冷却磁体包层模块-由锂制成，用于吸收核聚变反应中的热量和高能中子收集器-排出核聚变反应中的氦产品下面是磁约束核聚变过程的作用机制:磁约束核聚变过程核聚变反应堆加热氘和氚燃料的气流，使之形成高温的等离子体。接下来，反应堆对等离子体施加压力，继而发生聚变。启动核聚变反应所需的电能约为70兆瓦特，但该反应生成的电能约为500兆瓦特。核聚变反应将持续300
9、到500秒(最终将形成持续的核聚变反应)。等离子体反应室外部的锂包层将吸收核聚变反应中释放的高能中子，从而产生更多的氚燃料。在高能中子的作用下，这些包层也会被加热。水冷回路将热量转移至热交换器，最终形成蒸气。蒸气驱动电涡轮发电。蒸气将被重新压缩成水，以便让热交换器吸收反应堆中的更多热量。起初，ITERTokamak将测试建造持续核聚变反应堆的可行性，其最终将变为一座测试核聚变发电厂。在美国劳伦斯利弗莫尔实验室的国家点火设施(NIF)中，科学家们正在试验用激光束来诱发聚变。在NIF设备中，192条激光束将聚焦于一个直径为10米的靶室上的一点，这个靶室称为黑体辐射空腔。根据科学和工程百科全书，黑体
10、辐射空腔是指腔壁与腔内的辐射能量达到平衡的腔。国家点火设施供图惯性约束核聚变过程在靶室内部的焦点上，将有一个豌豆大小的氘-氚粒状物，其外侧包有一个小型塑料圆筒。激光的能量(180万焦)将加热圆筒，并生成X射线。在高温和辐射的作用下，粒状物将转化为等离子体，且压力不断升高，直至发生聚变。核聚变反应寿命很短，大约只有百万分之一秒，但它释放的能量是引发核聚变所需能量的50到100倍。在这种类型的反应堆中，需要相继点燃多个目标，才能产生持续的热量。据科学家估计，每个目标的成本可控制在0.25美元左右，从而大大降低了核电厂的成本。劳伦斯利弗莫尔国家实验室供图核聚变点火过程与磁约束核聚变反应堆类似，惯性约
11、束核聚变中的能量也将被转移至热交换器生成蒸气，进而通过蒸气来发电。核聚变的主要应用是发电，它可为后代提供安全、清洁的能源，与目前的核裂变反应堆相比，它具有以下几个优点:燃料供应充足-氘可直接从海水中提取，大量的氚可从核反应堆本身的锂中获得，而锂又广泛存在于地壳中。核裂变所需的铀非常稀少，必须经过开采和浓缩后才能用于反应堆。安全-与核裂变反应堆相比，核聚变所需的燃料较少。这样便避免了不可控的能量释放。与人类生存的自然界相比，大多数核聚变反应堆释放的辐射并不算多。清洁-核电厂(无论是裂变还是聚变)不靠燃烧发电，不会造成空气污染。核废物更少-核聚变反应堆不像核裂变反应堆那样会生成大量的核废物，因而处
12、理起来会更加容易。另外，核裂变所产生的废物属于武器级的核材料，而核聚变的废物则没有这样的危险。目前，NASA正在研制一种小型的核聚变反应堆，用于为深空火箭提供动力。核聚变推进器具有无限的燃料供应(氢)，其效率更高，可令火箭飞得更快。冷核聚变1989年，美国和英国的研究人员宣称，他们在室温条件下建造了核聚变反应堆，而没有采用对高温等离子体进行约束的方法。他们将用钯制成的电极置于盛有重水(氧化氘)的保温瓶中，然后为重水通上电流。这些研究人员指出，钯可以催化聚变，它能将氘原子间的距离拉近到足以发生聚变的程度。但是，其他国家及地区的许多科学家并未能得到相同的结果。2005年4月，冷核聚变取得巨大进展。美国加利福尼亚大学洛杉矶分校(UCLA)的科学家利用热电晶体引发了核聚变。他们将晶体放入盛有氢的小型容器中，并对晶体加热，进而形成一个电场。接下来，他们将一根金属线插入容器来吸收电荷。聚焦的电场对带正电荷的氢原子核产生极强的排斥力，这使得原子核快速挣离金属线，并发生相互碰撞，其力度足以实现聚合。这一反应是在室温条件下进行的。
