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nature，science
国家级和核心是不同的等级吧，像现代物理，应用物理就是核心
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国外的有 Nature 和 Science
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篇关于可控核聚变的文章2009年11月12日 星期四 01:48地球上的能量，无论是以矿石燃料，风力，水力还是动植物的形式储存起来的，最终的来源都是太阳：矿石燃料是由千百万年前的动植物演变而来的，而动植物（无论是今天的还是以前的）的能量最终是要来源于食物链底端的植物的光和作用所储存的太阳能；风的起因是由于太阳对大气的加热造成的冷热不均；水力的势能一样要靠太阳的加热使处于低平位置的水体蒸发，上升，再以降水形式被“搬运”到较高位置，从而形成势能。因此，无论人类利用这其中哪一种能源，归根结底都是在利用太阳能，而太阳的能量则是来源于核聚变，因此，人类如果掌握了有序地释放核聚变的能量的办法，就等于掌握了太阳的能量来源，就等于掌握了无穷无尽的矿石燃料，风力和水力能源，一些人鼓吹的现代工业将因为没有能量来源而走向灭亡的观点也就破产了。因此，可控核聚变反应堆当之无愧地被称作“人造太阳”。我国在可控核聚变技术方面处于世界领先地位，最近即将开始运行的EAST反应堆是世界上第一个达到实用工程标准的反应堆，如果能够成功运行，那么，可控核聚变的商业发电的时日久不远了。在此，转载一篇介绍关于可控核聚变知识以及我国在这方面成就的文章，作者为中科院负责科技政策的人员：说说受控核聚变这件事核聚变首先，大家都知道，合肥的人造太阳的目的就是进行受控核聚变的研究，这个不多说了，先说说受控核聚变这件事情吧。1939年，美国物理学家贝特通过实验证实，把一个氘原子核用加速器加速后和一个氚原子核以极高的速度碰撞，两个原子核发生了融合，形成一个新的原子核——氦外加一个自由中子，在这个过程中释放出了6兆电子伏的能量。这就是太阳持续45亿年发光发热的原理。早在1933年，核聚变的原理就被提出，而5年后，改变世界格局的核裂变才被发现。核聚变反应堆的原理很简单，很好理解，只不过实现起来对于当时的人类技术水准，几乎是不可能的。第一步，作为反应体的混合气必须被加热到等离子态——也就是温度足够高到使得电子能脱离原子核的束缚，原子核能自由运动，这时才可能使得原子核发生直接接触，这个时候，需要大约10万摄氏度的温度。第二步，为了克服库伦力，也就是同样带正电子的原子核之间的斥力，原子核需要以极快的速度运行，得到这个速度，最简单的方法就是——继续加温，使得布朗运动达到一个疯狂的水平，要使原子核达到这种运行状态，需要上亿摄氏度的温度。然后就简单了，氚的原子核和氘的原子核以极大的速度，赤裸裸地发生碰撞，产生了新的氦核和新的中子，释放出巨大的能量。经过一段时间，反应体已经不需要外来能源的加热，核聚变的温度足够使得原子核继续发生聚变。这个过程只要氦原子核和中子被及时排除，新的氚和氘的混合气被输入到反应体，核聚变就能持续下去，产生的能量一小部分留在反应体内，维持链式反应，大部分可以输出，作为能源来使用。看起来很简单是吧，只有一个问题，你把这个高达上亿摄氏度的反应体放在哪里呢？迄今为止，人类还没有造出任何能经受1万摄氏度的化学结构，更不要说上亿摄氏度了。这就是为什么一槌子买卖的氢弹已经制造了50年后，人类还没能有效的从核聚变中获取能量的唯一原因。好了，人类是很聪明的，不能用化学结构的方法解决问题，我们就用物理的试验一下。早在50年前，两种约束高温反应体的理论就产生了，一种是惯性约束。这一方法把几毫克的氘和氚的混合气体装入直径约几毫米的小球内，然后从外面均匀射入激光束或粒子束，球面内层因而向内挤压。球内气体受到挤压，压力升高，温度也急剧升高，当温度达到需要的点火温度时，球内气体发生爆炸，产生大量热能。这样的爆炸每秒钟发生三四次，并持续不断地进行下去，释放出的能量就可以达到百万千瓦级的水平。这一理论的奠基人之一就是我国著名科学家王淦昌。另一种就是磁力约束，由于原子核是带正电的，那么我的磁场只要足够强大，你就跑不出去，我建立一个环形的磁场，那么你就只能沿着磁力线的方向，沿着螺旋形运动，跑不出我的范围，而在环形磁场之外的一点距离，我可以建立一个大型的换热装置（此时反应体的能量只能以热辐射的方式传到换热体），然后再使用人类已经很熟悉的方法，把热能转换成电能就是了。苏联科学家塔姆和萨哈罗夫提出的这种方法相对于惯性约束，目前世界受控核聚变研究，主要集中在这个领域上。托卡马克实现磁力约束，需要一个能产生足够强的环形磁场的装置，这种装置就被称作“托克马克装置”——TOKAMAK，也就是俄语中是由“环形”、“真空”、“磁”、“线圈”的字头组成的缩写。早在1954年，在原苏联库尔恰托夫原子能研究所就建成了世界上第一个托卡马克装置。貌似很顺利吧？其实不然，要想能够投入实际使用，必须使得输入装置的能量远远小于输出的能量才行，我们称作能量增益因子——Q值。当时的托卡马克装置是个很不稳定的东西，搞了十几年，也没有得到能量输出，直到1970年，前苏联才在改进了很多次的托卡马克装置上第一次获得了实际的能量输出，不过要用当时最高级设备才能测出来，Q值大约是10亿分之一。别小看这个十亿分之一，这使得全世界看到了希望，于是全世界都在这种激励下大干快上，纷纷建设起自己的大型托卡马克装置，欧洲建设了联合环-JET,苏联建设了T20（后来缩水成了T15，线圈小了，但是上了超导），日本的JT-60和美国的TFTR（托卡马克聚变实验反应器的缩写）。这些托卡马克装置一次次把能量增益因子（Q）值的纪录刷新，1991年欧洲的联合环实现了核聚变史上第一次氘－氚运行实验，使用6：1的氘氚混合燃料，受控核聚变反应持续了2秒钟，获得了17万千瓦输出功率，Q值达12。1993年，美国在TFTR上使用氘、氚1：1的燃料，两次实验释放的聚变能分别为3万千瓦和56万千瓦，Q值达到了28。1997年9月，联合欧洲环创29万千瓦的世界纪录，Q值达60，持续了2秒。仅过了39天，输出功率又提高到61万千瓦， Q值达到65。三个月以后，日本的JT－60上成功进行了氘－氘反应实验，换算到氘－氚反应，Q值可以达到1。后来，Q值又超过了25。这是第一次Q值大于1，尽管氘-氘反应是不能实用的（这个后面再说），但是托卡马克理论上可以真正产生能量了。在这个大环境下，中国也不例外，在70年代就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“超脱卡马克装置”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脱卡马克装置，法国的Tore－Supra，俄罗斯的T-15，日本的JT-60U，和中国的EAST。除了EAST以外，其他四个大概都只能叫“准超托卡马克”，它们的水平线圈是超导的，垂直线圈则是常规的，因此还是会受到电阻的困扰。此外他们三个的线圈截面都是圆形的，而为了增加反应体的容积，EAST则第一次尝试做成了非原型截面。此外，在建的还有德国的螺旋石-7，规模比EAST大，但是技术水平差不多。混合燃料和燃料的来源核聚变的消耗的燃料是世界上十分常见的东西——氘，也就是重氢。新的问题出现了，仅仅有氘还是不够的，尽管氘-氘反应也是氢核聚变的主要形式，但我们人类现有条件下，根本无法控制氘-氘反应，它太猛烈了，所需要的温度要高得多，除了在实验室条件下一次性的实验外，很难让它链式反应下去——那是氢弹一样的威力。还好，人们发现了氘-氚反应的烈度要小很多，它的反应速度仅仅是氘-氘反应的100分之一，而点火温度反倒低得多，很适合人类现有条件下的利用。一个问题接着一个问题，氚不同于氘，在地球上几乎没有，现在人类的氚都是人工制造而非天然提取的，人们通常是用重水反应堆在发电之余人工制造少量的氚——它是地球上最贵的东西之一，一克氚价值超过30万美元。这么贵的原料，显然是无法接受的，幸好上帝给人类又提供了一种好东西——锂，锂的2种同位素在被中子轰击之后，就会裂变，他们的产物都是氚和氦，目前为止人类在重水堆中制造氚，用的就是将锂靶件植入反应堆的方法。回核聚变上，氚和氘反应后，除了形成一个氦原子核之外，还有一个多余的中子，并且能量很高。好了，我们只需要在核聚变的反应体之内保持一定比例的锂原子核浓度，那么核聚变产生的中子就会轰击锂核，促使锂核裂变，产生一个新的氚，这个氚则继续参与氚-氘反应，继而产生新的中子，链式反应形成了。所以，理论上我们只需要给反映体提供两种原料——氘和锂，就能实现氘-氚反应，并且维持它的进行。这两种原料还是比较容易取得的，氘在海水中的含量还是比较高的，我们只需要通过精馏法取得重水，然后再电解重水就能得到氘。而锂的资源总量虽然不如氘多，但是更容易取得一些，一方面海水中就包含足够的氯化锂，分离出来即可。另一方面，碳酸锂矿也不是稀有资源，更容易获得。ITER说到超脱卡马克，必须提到，2005年正式确定的国际合作项目ITER，也就是国际热核实验反应堆的缩写，这个项目从1985年开始，由苏联、美国、日本和欧共体提出，目的是建立第一个试验用的聚变反应堆。注意，ITER已经不是托卡马克装置了，而是试验反应堆，这是一大进步。最初方案是2010年建成一个实验堆，实现1500兆瓦功率输出，造价100亿美元。没想到因为各国想法不同，苏联解体，加上技术手段的限制，一直到了2000年也没有结果，其间美国干脆拍屁股走人——不干了，ITER陷入了胎死腹中的危险。直到2003年，能源危机加剧，各国又重视起来，首先是中国宣布加入了ITER计划，欧洲、日本和俄罗斯自然很高兴。没几天美国也想：咱们不能落后啊，加上自己在这个领域没有优势，单干划不来，于是也宣布重返计划。紧接着，有点银子又有点基础的韩国和印度也凑了进来，ITER红红火火，重张大吉。扯皮扯了20年以后，2005年ITER正式立项，地点在法国的卡达拉申，基本设计不变，力争2015年前全面完成，造价120亿美元，欧盟出40%，法、中、日、美各出10%，剩下的想让别人平摊，韩国印度不干，力争让俄国也出10%，自己出5%，不知道皮有没有扯完。ITER凑巧是拉丁语“道路”，可见大家对这个东西抱有多大的希望。很有可能，她就是人类解决能源问题的“道路”。如果ITER能成功，下一步就是利用ITER的技术，设计和建造示范商用堆，到那时，离真正的商业核聚变发电就不远了。但是ITER建设中，还有大量的技术问题需要解决，需要有一个原型可以参考，在此基础上，各国的先进超脱卡马克装置就成了设计ITER的蓝本。ITER的研究远非一个托卡马克装置，它还有很多难题需要攻克，地雷战里说“各村有各村的高招”，日本的外围设备研究就远远走在了其他国家前面，他们在托卡马克点火领域就很先进，不用高压变压器，直接使用高频电流制造核聚变点火的高温等离子体电流，就已经在日本试验成功了，大功率激光点火也接近完善。EASTEAST是目前为止，超托卡马克反应体部分，唯一能给ITER提供实验数据的装置，他的结构和应用的技术与规划中的ITER完全一样，没有的仅仅是换能部分。EAST解决了几个重要问题：第一次采用了非圆型垂直截面，目的是在不增加环形直径的前提下增加反应体的体积，提高磁场效率。第一次全部采用了液氦无损耗的超导体系。液氦是很贵的，只有在线圈材料上下功夫，尽量少用液氦，同时让液氦可以循环使用，尽量减少损耗的系统才可能投入实用。此外，EAST还是世界上第一个具有主动冷却结构的托卡马克，它的第一壁是主动冷却的，目前连接的是一个大型冷却塔，它的冷却水可以保证在长时间运行后将反应产生的热量带走，维持系统的温度平衡，一方面是为真正实现稳定的受控聚变迈出的重要一步，另一方面也是工程化的重要标志——冷却塔换成汽轮机是可以发电的。结合一些相关资料，目前世界这个领域普遍认为EAST将是第一个能长时间稳定运行的，Q值能达到1的托卡马克装置，当然这可能还要1-2年的时间。就EAST来说，从某种意义上，它就是ITER主反应体大约1/4的一个原型实验装置。自1840年以后，天朝终于也在世界上先进了一小把，这就足够值得骄傲了。新的发展方向人类没有被一个ITER限定死，很多可控核聚变领域的研究也层出不穷。前几年出现了冷核聚变的说法，就是将氘化丙酮以一定的频率进行震动，发现产生的微小气泡里面产生了核聚变，还有一部以此为背景的电影《圣徒》，但是目前看来，由于被认为不可重现，缺乏理论依据，基本可以认定是伪科学了。另外托克马克也不都是环形的，长径比到一定程度，就出现了球形的装置，造价低，有效截面大，很可能是未来的发展方向，顺便说一下，离我不到500米，就有一台这个设备——科学院物理所的SUNIST。此外，惯性约束核聚变也是一个很有前途的方向，实际上我认为惯性约束的思想很聪明，它实际上就是用很多小型的非受控核聚变实现总体的受控核聚变，它的结构要比磁性约束简单很多，它也是一个重点地研究领域，在新闻中看到的国内的新型的大型激光器什么的，绝大多数都是干这个用的。人造太阳和中国中国在这个领域有先天的优势，加上机遇很好，走到世界第一集团，不是偶然的。说先天优势，是因为我们有王淦昌先生这样一批理论上的大师，使得我们的基础并不落后。国家对于能源的重视不是一天两天了，自1956年的12年科学规划以来，核聚变的研究已经进行了半个世纪，积累了大量的经验。还有一个上帝送给我们的好礼物：内蒙古白云鄂博的稀土资源。它使得我们的超导工艺和激光技术并不落后——这可是受控核聚变的重要组成部分。说我们机遇好，一方面是当年苏联解体，俄罗斯贱卖家底，我们得到了俄国的HT-7超脱卡马克，使我们跨越性的认识了这一系统。另一方面，国际扯皮使得ITER拖了近20年，我们赢得了追上去的机会，试想1985年ITER正式开建，怎么可能有中国的事情？苍天已死，黄天当立，中国人在这个关乎人类生存的领域，总算占有了一席之地，希望能良好的发展下去，早日求得正果，若如此，不仅为华夏之福，更是寰宇之大幸也。
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两篇可以根据你的需要整编哦~下面参考资料里有英文版的~ 位于四川省成都市双流县白家镇，核工业西南物理研究院聚变研究试验基地的"中国环流器2号A装置" 2006年9月28日，中国耗时6年、耗资3亿元人民币自主设计制造的新一代托卡马克磁约束核聚变装置"EAST"首次成功完成放电实验，获得电流200千安、时间接近3秒的高温等离子体放电；使EAST成为世界上第一个建成并真正运行的"全超导非圆截面托卡马克"核聚变实验装置。这是中国可控核聚变研究的里程碑式突破。 在古希腊神话中，普罗米修斯从太阳神阿波罗处盗下的天火，照亮了人类的黑夜。在人类现代科技中，可控核聚变技术将照亮人类能源的未来之路，由于可控核聚变反应堆产生能量的方式和太阳类似，因此它也被俗称为"人造太阳"。 太阳是热核聚变反应的典型代表，1938年，美国科学家贝特(H。Bethe)和德国科学家魏茨泽克(C。F。v。Weizsacker)推测太阳能源可 能来自它的内部氢核聚变成氦核的热核反应，这甚至早于核裂变模型的提出。太阳的核心温度高达1500万摄氏度，表面有6000度，压力相当于2500亿个 大气压。核心区的气体被极度压缩至水密度的150倍。在这里每时每刻都发生着热核聚变，太阳每秒钟把七亿吨的氢变为氦，在这过程中失去400多万吨的质量，这种聚变反应已经持续了几十亿年，它的辐射能量给地球带来无限生机。 世界能源危机 自人类进入工业化以来，世界能源消耗迅速增长。有数据显示，自1973年以来，人类已经开采了5500亿桶石油（约合800亿吨），按照现在的开采速度， 地球上已探明的1770亿吨石油储量仅够开采50年，已探明的173万亿立方米天然气仅够开采63年；已探明的9827亿吨煤炭还可以用300年到400 年。核电站发电需要浓缩铀，世界上已探明的铀储量约490万吨，钍储量约275万吨，全球441座核电站目每年需要消耗6万多吨浓缩铀，地球上的铀储量仅 够使用100年左右。世界各国水能开发也已近饱和，而风能、太阳能尚无法满足人类庞大的需求。 随着石油价格上涨，能源危机再次被提起，各国也加快了新能源研发，核聚变能就是重点之一。与传统的裂变式核电站相比，核聚变发电具有明显的优势。核聚变所 用的重要核燃料是氘，理论上，只需1千克氘和10千克锂(通过锂可得到氘)就可以保证一座百万千瓦聚变核电站运转一天，而传统核电站和火力发电站至少需要 100千克铀或1万吨煤。制取1千克浓缩铀的费用是1。2万美元，而制取1千克氘的费用只有300美元。一座100万千瓦的核聚变电站，每年耗氘量只需304千克；而一座百万千瓦裂变式核电站，需要30-40吨核燃料。 氘的发热量相当于同等煤的2000万倍，是海水中大量存在的元素。据测算，海水中大约每600个氢原子中就有一个氘原子，每1公升海水中含有0。03克的 氘，通过核聚变反应产生的能量，相当于燃烧300公升的汽油。就是说，"1升海水约等于300升汽油"。地球上的海水总量约为138亿亿立方米，其中氘的 储量约40万亿吨，足够人类使用百亿年。锂是核聚变实现纯氘反应的过渡性辅助"燃料"，地球上的锂储量有2000多亿吨，海水中的氘再加上锂至少够我们地 球用上千亿年。氚虽然在自然界比氘少得多，但可从核反应中制取，也可用于热核反应。科学家们正在以海水中的氘为主要原料，进行核聚变反应试验，以期建立可 以投入商业运营的热核聚变反应堆，彻底解决人类未来的能源问题。 更为可贵的是核聚变反应是清洁能源，中几乎不存在放射性污染，核裂变的原料本身带有放射性，而核聚变反应过程中，在任何时刻都只有一丁点的氘在聚变， 无需担忧失控的危险，而且也不会产生放射性的物质。即使像切尔诺贝利核电站那样发生损坏，核聚变反应堆也会自动立即中止反应，因此受控核聚变产生的能量名 符其实是一种无限、清洁、成本低廉和安全可靠的新能源。在这一系列的动力下，核聚变的研究已经持续了半个多世纪。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。 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。 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，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。 核聚变反应堆的原理很简单，只不过对于人类当前的技术水准，实现起来具有相当大的难度。 物质由分子构成，分子由原子构成，原子中的原子核又由质子和中子构成，原子核外包覆与质子数量相等的电子。质子带正电，中子不带电。电子受原子核中正电的 吸引，在"轨道"上围绕原子核旋转。不同元素的电子、质子数量也不同，如氢和氢同位素只有1个质子和1个电子，铀是天然元素中最重的原子，有92个质子和 92个电子。 核聚变是指由质量轻的原子（主要是指氢的同位素氘和氚）在超高温条件下，发生原子核互相聚合作用，生成较重的原子核（氦），并释放出巨大的能量。1千克氘全部聚变释放的能量相当11000吨煤炭。其实，利用轻核聚变原理，人类早已实现了氘氚核聚变---氢弹爆炸，但氢弹是不可控制的爆炸性核聚变，瞬间能量释放只能给人类带来灾难。如果能让核聚变反应按照人们的需要，长期持续释放，才能使核聚变发电，实现核聚变能的和平利用。 如果要实现核聚变发电，那么在核聚变反应堆中，第一步需要将作为反应体的氘-氚混合气体加热到等离子态，也就是温度足够高到使得电子能脱离原子核的束缚，让原子核能自由运动，这时才可能使裸露的原子核发生直接接触，这就需要达到大约10万摄氏度的高温。 第二步，由于所有原子核都带正电，按照"同性相斥"原理，两个原子核要聚到一起，必须克服强大的静电斥力。两个原子核之间靠得越近，静电产生的斥力就越 大，只有当它们之间互相接近的距离达到大约万亿分之三毫米时，核力（强作用力）才会伸出强有力的手，把它们拉到一起，从而放出巨大的能量。 质量轻的原子核间静电斥力最小，也最容易发生聚变反应，所以核聚变物质一般选择氢的同位素氘和氚。氢是宇宙中最轻的元素，在自然界中存在的同位素有： 氕、氘 (重氢)、氚 (超重氢)。在氢的同位素中，氘和氚之间的聚变最容易，氘和氘之间的聚变就困难些，氕和氕之间的聚变就更困难了。因此人们在考虑聚变时，先考虑氘、氚之间 的聚变，后考虑氘、氘之间的聚变。重核元素如铁原子也能发生聚变反应，释放的能量也更多；但是以人类目前的科技水平，尚不足满足其聚变条件。 为了克服带正电子原子核之间的斥力，原子核需要以极快的速度运行，要使原子核达到这种运行状态，就需要继续加温，直至上亿摄氏度，使得布朗运动达到一个疯狂的水平，温度越高，原子核运动越快。以至于它们没有时间相互躲避。然后就简单了，氚的原子核和氘的原子核以极大的速度，赤裸裸地发生碰撞，结合成1个氦原子核，并放出1个中子和17。6兆电子伏特能量。 反应堆经过一段时间运行，内部反应体已经不需要外来能源的加热，核聚变的温度足够使得原子核继续发生聚变。这个过程只要将氦原子核和中子及时排除出反应 堆，并及时将新的氚和氘的混合气输入到反应堆内，核聚变就能持续下去；核聚变产生的能量一小部分留在反应体内，维持链式反应，剩余大部分的能量可以通过热 交换装置输出到反应堆外，驱动汽轮机发电。这就和传统核电站类似了。 核聚变消耗的燃料是世界上十分常见的元素--氘（也就是重氢）。氘在海水中的含量还是比较高的，只需要通过精馏法取得重水，然后再电解重水就能得到氘。新 的问题出现了，仅仅有氘还是不够的，尽管氘-氘反应也是氢核聚变的主要形式，但我们人类现有条件下，根本无法控制氘-氘反应，它太猛烈了，所需要的温度要 高得多，除了在实验室条件下做一次性的实验外，很难让它链式反应下去--那是氢弹一样的威力。还好，人们发现了氘-氚反应的烈度要小很多，它的反应速度仅 仅是氘-氘反应的100分之一，而点火温度反倒低得多，很适合人类现有条件下的利用。 而氚不同于氘，氚是地球上最稀有的元素，由于氚的半衰期只有12。26年，所以在地球诞生之初的氚早已衰变地无影无踪了。现在人类的氚都是人工制造而非天然提取的，人们通常用重水反应堆在发电之余人工制造少量的氚-- 它是地球上最贵的东西之一，一克氚价值超过30万美元，仅在美国保存有30公斤左右的氚。这 么贵的原料，用作核聚变发电显然是无法接受的，幸好上帝给人类又提供了一种好东西--锂。锂元素也是世界上最丰富的资源，有2000多亿吨。一方面海水中 就包含足够的氯化锂，分离出来即可。另一方面，中国是世界锂资源最丰富的国家，碳酸锂矿也不是稀有资源，更容易获得。锂的2种同位素--锂-6和锂-7， 在被中子轰击之后，就会裂变，他们的产物都是氚和氦，目前为止人类在重水反应堆中制造氚，用的就是将锂靶件植入反应堆的方法。 在聚变反应堆内，氚和氘反应后，除了形成一个氦原子核之外，还有一个多余的中子，并且能量很高。我们只需要在核聚变的反应体之内保持一定比例的锂原子核浓 度，那么核聚变产生的中子就会轰击锂核，促使锂核裂变，产生一个新的氚，这个氚则继续参与氚-氘反应，继而产生新的中子，链式反应形成了。所以，理论上我 们只需要给反应体提供两种原料--氘和锂，就能实现氘-氚反应，并且维持它的进行。 看起来很简单是吧，只是还有一个问题，能够承载上亿摄氏度超高温反应体的核反应堆用什么材料来制造呢？要知道，太阳表面的温度也才只有6000万度左右。 迄今为止，人类还没有造出任何能经受1万摄氏度高温的材料，更不要说上亿摄氏度了。以上这些因素就是为什么一槌子买卖的氢弹已经爆炸了50年后，人类还是 没能有效地从核聚变中获取能量的重要原因。
篇关于可控核聚变的文章2009年11月12日 星期四 01:48地球上的能量，无论是以矿石燃料，风力，水力还是动植物的形式储存起来的，最终的来源都是太阳：矿石燃料是由千百万年前的动植物演变而来的，而动植物（无论是今天的还是以前的）的能量最终是要来源于食物链底端的植物的光和作用所储存的太阳能；风的起因是由于太阳对大气的加热造成的冷热不均；水力的势能一样要靠太阳的加热使处于低平位置的水体蒸发，上升，再以降水形式被“搬运”到较高位置，从而形成势能。因此，无论人类利用这其中哪一种能源，归根结底都是在利用太阳能，而太阳的能量则是来源于核聚变，因此，人类如果掌握了有序地释放核聚变的能量的办法，就等于掌握了太阳的能量来源，就等于掌握了无穷无尽的矿石燃料，风力和水力能源，一些人鼓吹的现代工业将因为没有能量来源而走向灭亡的观点也就破产了。因此，可控核聚变反应堆当之无愧地被称作“人造太阳”。我国在可控核聚变技术方面处于世界领先地位，最近即将开始运行的EAST反应堆是世界上第一个达到实用工程标准的反应堆，如果能够成功运行，那么，可控核聚变的商业发电的时日久不远了。在此，转载一篇介绍关于可控核聚变知识以及我国在这方面成就的文章，作者为中科院负责科技政策的人员：说说受控核聚变这件事核聚变首先，大家都知道，合肥的人造太阳的目的就是进行受控核聚变的研究，这个不多说了，先说说受控核聚变这件事情吧。1939年，美国物理学家贝特通过实验证实，把一个氘原子核用加速器加速后和一个氚原子核以极高的速度碰撞，两个原子核发生了融合，形成一个新的原子核——氦外加一个自由中子，在这个过程中释放出了6兆电子伏的能量。这就是太阳持续45亿年发光发热的原理。早在1933年，核聚变的原理就被提出，而5年后，改变世界格局的核裂变才被发现。核聚变反应堆的原理很简单，很好理解，只不过实现起来对于当时的人类技术水准，几乎是不可能的。第一步，作为反应体的混合气必须被加热到等离子态——也就是温度足够高到使得电子能脱离原子核的束缚，原子核能自由运动，这时才可能使得原子核发生直接接触，这个时候，需要大约10万摄氏度的温度。第二步，为了克服库伦力，也就是同样带正电子的原子核之间的斥力，原子核需要以极快的速度运行，得到这个速度，最简单的方法就是——继续加温，使得布朗运动达到一个疯狂的水平，要使原子核达到这种运行状态，需要上亿摄氏度的温度。然后就简单了，氚的原子核和氘的原子核以极大的速度，赤裸裸地发生碰撞，产生了新的氦核和新的中子，释放出巨大的能量。经过一段时间，反应体已经不需要外来能源的加热，核聚变的温度足够使得原子核继续发生聚变。这个过程只要氦原子核和中子被及时排除，新的氚和氘的混合气被输入到反应体，核聚变就能持续下去，产生的能量一小部分留在反应体内，维持链式反应，大部分可以输出，作为能源来使用。看起来很简单是吧，只有一个问题，你把这个高达上亿摄氏度的反应体放在哪里呢？迄今为止，人类还没有造出任何能经受1万摄氏度的化学结构，更不要说上亿摄氏度了。这就是为什么一槌子买卖的氢弹已经制造了50年后，人类还没能有效的从核聚变中获取能量的唯一原因。好了，人类是很聪明的，不能用化学结构的方法解决问题，我们就用物理的试验一下。早在50年前，两种约束高温反应体的理论就产生了，一种是惯性约束。这一方法把几毫克的氘和氚的混合气体装入直径约几毫米的小球内，然后从外面均匀射入激光束或粒子束，球面内层因而向内挤压。球内气体受到挤压，压力升高，温度也急剧升高，当温度达到需要的点火温度时，球内气体发生爆炸，产生大量热能。这样的爆炸每秒钟发生三四次，并持续不断地进行下去，释放出的能量就可以达到百万千瓦级的水平。这一理论的奠基人之一就是我国著名科学家王淦昌。另一种就是磁力约束，由于原子核是带正电的，那么我的磁场只要足够强大，你就跑不出去，我建立一个环形的磁场，那么你就只能沿着磁力线的方向，沿着螺旋形运动，跑不出我的范围，而在环形磁场之外的一点距离，我可以建立一个大型的换热装置（此时反应体的能量只能以热辐射的方式传到换热体），然后再使用人类已经很熟悉的方法，把热能转换成电能就是了。苏联科学家塔姆和萨哈罗夫提出的这种方法相对于惯性约束，目前世界受控核聚变研究，主要集中在这个领域上。托卡马克实现磁力约束，需要一个能产生足够强的环形磁场的装置，这种装置就被称作“托克马克装置”——TOKAMAK，也就是俄语中是由“环形”、“真空”、“磁”、“线圈”的字头组成的缩写。早在1954年，在原苏联库尔恰托夫原子能研究所就建成了世界上第一个托卡马克装置。貌似很顺利吧？其实不然，要想能够投入实际使用，必须使得输入装置的能量远远小于输出的能量才行，我们称作能量增益因子——Q值。当时的托卡马克装置是个很不稳定的东西，搞了十几年，也没有得到能量输出，直到1970年，前苏联才在改进了很多次的托卡马克装置上第一次获得了实际的能量输出，不过要用当时最高级设备才能测出来，Q值大约是10亿分之一。别小看这个十亿分之一，这使得全世界看到了希望，于是全世界都在这种激励下大干快上，纷纷建设起自己的大型托卡马克装置，欧洲建设了联合环-JET,苏联建设了T20（后来缩水成了T15，线圈小了，但是上了超导），日本的JT-60和美国的TFTR（托卡马克聚变实验反应器的缩写）。这些托卡马克装置一次次把能量增益因子（Q）值的纪录刷新，1991年欧洲的联合环实现了核聚变史上第一次氘－氚运行实验，使用6：1的氘氚混合燃料，受控核聚变反应持续了2秒钟，获得了17万千瓦输出功率，Q值达12。1993年，美国在TFTR上使用氘、氚1：1的燃料，两次实验释放的聚变能分别为3万千瓦和56万千瓦，Q值达到了28。1997年9月，联合欧洲环创29万千瓦的世界纪录，Q值达60，持续了2秒。仅过了39天，输出功率又提高到61万千瓦， Q值达到65。三个月以后，日本的JT－60上成功进行了氘－氘反应实验，换算到氘－氚反应，Q值可以达到1。后来，Q值又超过了25。这是第一次Q值大于1，尽管氘-氘反应是不能实用的（这个后面再说），但是托卡马克理论上可以真正产生能量了。在这个大环境下，中国也不例外，在70年代就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“超脱卡马克装置”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脱卡马克装置，法国的Tore－Supra，俄罗斯的T-15，日本的JT-60U，和中国的EAST。除了EAST以外，其他四个大概都只能叫“准超托卡马克”，它们的水平线圈是超导的，垂直线圈则是常规的，因此还是会受到电阻的困扰。此外他们三个的线圈截面都是圆形的，而为了增加反应体的容积，EAST则第一次尝试做成了非原型截面。此外，在建的还有德国的螺旋石-7，规模比EAST大，但是技术水平差不多。混合燃料和燃料的来源核聚变的消耗的燃料是世界上十分常见的东西——氘，也就是重氢。新的问题出现了，仅仅有氘还是不够的，尽管氘-氘反应也是氢核聚变的主要形式，但我们人类现有条件下，根本无法控制氘-氘反应，它太猛烈了，所需要的温度要高得多，除了在实验室条件下一次性的实验外，很难让它链式反应下去——那是氢弹一样的威力。还好，人们发现了氘-氚反应的烈度要小很多，它的反应速度仅仅是氘-氘反应的100分之一，而点火温度反倒低得多，很适合人类现有条件下的利用。一个问题接着一个问题，氚不同于氘，在地球上几乎没有，现在人类的氚都是人工制造而非天然提取的，人们通常是用重水反应堆在发电之余人工制造少量的氚——它是地球上最贵的东西之一，一克氚价值超过30万美元。这么贵的原料，显然是无法接受的，幸好上帝给人类又提供了一种好东西——锂，锂的2种同位素在被中子轰击之后，就会裂变，他们的产物都是氚和氦，目前为止人类在重水堆中制造氚，用的就是将锂靶件植入反应堆的方法。回核聚变上，氚和氘反应后，除了形成一个氦原子核之外，还有一个多余的中子，并且能量很高。好了，我们只需要在核聚变的反应体之内保持一定比例的锂原子核浓度，那么核聚变产生的中子就会轰击锂核，促使锂核裂变，产生一个新的氚，这个氚则继续参与氚-氘反应，继而产生新的中子，链式反应形成了。所以，理论上我们只需要给反映体提供两种原料——氘和锂，就能实现氘-氚反应，并且维持它的进行。这两种原料还是比较容易取得的，氘在海水中的含量还是比较高的，我们只需要通过精馏法取得重水，然后再电解重水就能得到氘。而锂的资源总量虽然不如氘多，但是更容易取得一些，一方面海水中就包含足够的氯化锂，分离出来即可。另一方面，碳酸锂矿也不是稀有资源，更容易获得。ITER说到超脱卡马克，必须提到，2005年正式确定的国际合作项目ITER，也就是国际热核实验反应堆的缩写，这个项目从1985年开始，由苏联、美国、日本和欧共体提出，目的是建立第一个试验用的聚变反应堆。注意，ITER已经不是托卡马克装置了，而是试验反应堆，这是一大进步。最初方案是2010年建成一个实验堆，实现1500兆瓦功率输出，造价100亿美元。没想到因为各国想法不同，苏联解体，加上技术手段的限制，一直到了2000年也没有结果，其间美国干脆拍屁股走人——不干了，ITER陷入了胎死腹中的危险。直到2003年，能源危机加剧，各国又重视起来，首先是中国宣布加入了ITER计划，欧洲、日本和俄罗斯自然很高兴。没几天美国也想：咱们不能落后啊，加上自己在这个领域没有优势，单干划不来，于是也宣布重返计划。紧接着，有点银子又有点基础的韩国和印度也凑了进来，ITER红红火火，重张大吉。扯皮扯了20年以后，2005年ITER正式立项，地点在法国的卡达拉申，基本设计不变，力争2015年前全面完成，造价120亿美元，欧盟出40%，法、中、日、美各出10%，剩下的想让别人平摊，韩国印度不干，力争让俄国也出10%，自己出5%，不知道皮有没有扯完。ITER凑巧是拉丁语“道路”，可见大家对这个东西抱有多大的希望。很有可能，她就是人类解决能源问题的“道路”。如果ITER能成功，下一步就是利用ITER的技术，设计和建造示范商用堆，到那时，离真正的商业核聚变发电就不远了。但是ITER建设中，还有大量的技术问题需要解决，需要有一个原型可以参考，在此基础上，各国的先进超脱卡马克装置就成了设计ITER的蓝本。ITER的研究远非一个托卡马克装置，它还有很多难题需要攻克，地雷战里说“各村有各村的高招”，日本的外围设备研究就远远走在了其他国家前面，他们在托卡马克点火领域就很先进，不用高压变压器，直接使用高频电流制造核聚变点火的高温等离子体电流，就已经在日本试验成功了，大功率激光点火也接近完善。EASTEAST是目前为止，超托卡马克反应体部分，唯一能给ITER提供实验数据的装置，他的结构和应用的技术与规划中的ITER完全一样，没有的仅仅是换能部分。EAST解决了几个重要问题：第一次采用了非圆型垂直截面，目的是在不增加环形直径的前提下增加反应体的体积，提高磁场效率。第一次全部采用了液氦无损耗的超导体系。液氦是很贵的，只有在线圈材料上下功夫，尽量少用液氦，同时让液氦可以循环使用，尽量减少损耗的系统才可能投入实用。此外，EAST还是世界上第一个具有主动冷却结构的托卡马克，它的第一壁是主动冷却的，目前连接的是一个大型冷却塔，它的冷却水可以保证在长时间运行后将反应产生的热量带走，维持系统的温度平衡，一方面是为真正实现稳定的受控聚变迈出的重要一步，另一方面也是工程化的重要标志——冷却塔换成汽轮机是可以发电的。结合一些相关资料，目前世界这个领域普遍认为EAST将是第一个能长时间稳定运行的，Q值能达到1的托卡马克装置，当然这可能还要1-2年的时间。就EAST来说，从某种意义上，它就是ITER主反应体大约1/4的一个原型实验装置。自1840年以后，天朝终于也在世界上先进了一小把，这就足够值得骄傲了。新的发展方向人类没有被一个ITER限定死，很多可控核聚变领域的研究也层出不穷。前几年出现了冷核聚变的说法，就是将氘化丙酮以一定的频率进行震动，发现产生的微小气泡里面产生了核聚变，还有一部以此为背景的电影《圣徒》，但是目前看来，由于被认为不可重现，缺乏理论依据，基本可以认定是伪科学了。另外托克马克也不都是环形的，长径比到一定程度，就出现了球形的装置，造价低，有效截面大，很可能是未来的发展方向，顺便说一下，离我不到500米，就有一台这个设备——科学院物理所的SUNIST。此外，惯性约束核聚变也是一个很有前途的方向，实际上我认为惯性约束的思想很聪明，它实际上就是用很多小型的非受控核聚变实现总体的受控核聚变，它的结构要比磁性约束简单很多，它也是一个重点地研究领域，在新闻中看到的国内的新型的大型激光器什么的，绝大多数都是干这个用的。人造太阳和中国中国在这个领域有先天的优势，加上机遇很好，走到世界第一集团，不是偶然的。说先天优势，是因为我们有王淦昌先生这样一批理论上的大师，使得我们的基础并不落后。国家对于能源的重视不是一天两天了，自1956年的12年科学规划以来，核聚变的研究已经进行了半个世纪，积累了大量的经验。还有一个上帝送给我们的好礼物：内蒙古白云鄂博的稀土资源。它使得我们的超导工艺和激光技术并不落后——这可是受控核聚变的重要组成部分。说我们机遇好，一方面是当年苏联解体，俄罗斯贱卖家底，我们得到了俄国的HT-7超脱卡马克，使我们跨越性的认识了这一系统。另一方面，国际扯皮使得ITER拖了近20年，我们赢得了追上去的机会，试想1985年ITER正式开建，怎么可能有中国的事情？苍天已死，黄天当立，中国人在这个关乎人类生存的领域，总算占有了一席之地，希望能良好的发展下去，早日求得正果，若如此，不仅为华夏之福，更是寰宇之大幸也。