1954年，世界上第一顆實用型氫彈在美國比基尼島試驗成功，從66時起，受控核聚變就成了各國核物理學(xué)家研究的共同課題，因為核聚變能將是人類未來唯一清潔、有效、且又取之不盡的能源。核聚變反匝燃料是氫的同位素氘、氚及惰性氣體3He(氦—3)。氘在地球上蘊藏極其豐富，據(jù)測，每1升海水中含30毫克氘，而30毫克氘聚變產(chǎn)生的能量相當(dāng)于300升汽油。一座100萬千瓦的核聚變電站，每年耗氘量只需304千克。核聚變使用的氘、氚發(fā)生反應(yīng)后產(chǎn)生惰性氣體氦，不存在任何臨界事故和放射性物質(zhì)泄露。據(jù)統(tǒng)計，存在于天然海水中的氘有45億噸，把海水通過核聚變轉(zhuǎn)化為能源，按目前世界能源消耗水平，可供人類使用上億年，所以，盡快讓核聚變能造福人類，以替補石油、天然氣等能源耗竭的問題就顯得更加緊迫。

研究路漫漫

獲得聚變能源最方便的途徑，是將大量的聚變材料在極短的時間內(nèi)加熱到1-2億℃的高溫。除了太陽表面和核裂變爆炸時能產(chǎn)生如此之高的溫度外，核物理學(xué)家們也已在等離子體中達(dá)到了這個溫度。如1991年11月9日，歐洲聯(lián)合環(huán)形聚變反應(yīng)堆在1．8秒內(nèi)生成了比太陽內(nèi)部溫度還高10倍的高溫，成功地實現(xiàn)了核聚變反應(yīng)。不過，世上沒有任何實物容器能經(jīng)受住這樣的高溫，所以，物理學(xué)家們就采用由封閉磁場組成的“容器”，來約束電離了的等離子體，此方法稱為磁約束。

20世紀(jì)50年代初期，蘇聯(lián)科學(xué)家塔姆和薩哈羅夫提出托卡馬克的概念。托卡馬克是磁線圈圓環(huán)室的俄文縮寫，又稱環(huán)流器。

1954年，蘇聯(lián)庫爾恰托夫原子能研究所建成了第一個托卡馬克裝置，實現(xiàn)了個別的聚變反應(yīng)，但聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量極微。直到1970年，蘇聯(lián)在另一個托卡馬克裝置上，才有可以察覺到的聚變能量輸出。在這座裝置上，為了實現(xiàn)聚變要消耗10億分能量，才得到1分聚變能量。又過了10年，在美國和德國的兩臺托卡馬克裝置上：實現(xiàn)了每消耗10分能量可得到2分的聚變能量。1982年，美國為實現(xiàn)點火而設(shè)計的大型托卡馬克裝置在普林斯頓大學(xué)建成。此后，1983年6月英國建成比上述裝置更大的歐洲聯(lián)合環(huán)形聚變反應(yīng)堆。1985年，日本、蘇聯(lián)也相繼建成了大型托卡馬克裝置。1984年9月，我國第一臺中型聚變裝置——中國環(huán)流器一號在四川樂山市郊建成。另外，我國總投資達(dá)1．65億元的全超導(dǎo)托卡馬克HT—7U也于1998年開始建設(shè)。

雖然經(jīng)過牛個多世紀(jì)的研究，各種托卡馬克裝置紛紛問世，但到目前為止，受控聚變反應(yīng)堆還沒有一個取得成功，以致有的科學(xué)家認(rèn)為，現(xiàn)有的熱核反應(yīng)裝置根本不可能在短期內(nèi)實現(xiàn)持續(xù)產(chǎn)生的聚變能，換句話說，不能產(chǎn)生生產(chǎn)效益。美國國會也在1996年將用于核聚變研究的撥款減少了33％，同時關(guān)閉了耗資10億美元的普林斯頓反應(yīng)堆。當(dāng)時有人感嘆道：普林斯頓反應(yīng)堆的關(guān)閉表明人類50年的核聚變能夢想將面臨一個“無法預(yù)知的未來”。

根據(jù)目前的研究狀況，樂觀派認(rèn)為最多到本世紀(jì)中葉，受控核聚變反應(yīng)堆就會取得成功并投入商業(yè)運作，但也有不少人贊同俄羅斯理論物理學(xué)家米哈伊洛夫的觀點：核聚變“只有到22世紀(jì)才會出現(xiàn)”。

針對這種情況，俄羅斯一批核物理學(xué)家打算另辟蹊徑，提出了建造爆燃式聚變反應(yīng)堆的建議。俄專家認(rèn)為，這個項目有成熟的技術(shù)保障，并且運行原理簡單、便于操作，是21世紀(jì)解決人類能源問題上的一項突破性技術(shù)。 爆燃式聚變反應(yīng)堆的基本原理

爆燃式聚變反應(yīng)堆是一個全新的課題，建造爆燃式聚變反應(yīng)堆的首倡者是俄羅斯技術(shù)物理研究所。遠(yuǎn)在20世紀(jì)50年代，該所就有關(guān)于利用核爆炸能量的設(shè)想。70年代，該所研制成了“純”氘裝料。經(jīng)核爆炸試驗，證明爆炸時氘產(chǎn)生的能量是钚的數(shù)百倍(熱核系數(shù)比)。1997年，該所專家聯(lián)名發(fā)表了《爆炸氘能》的專著，闡述了爆燃式聚變反應(yīng)堆的設(shè)計思想。2000年10月，俄羅斯原子能部以發(fā)消息的形式介紹了爆燃式聚變反應(yīng)堆的技術(shù)原理。2001年2月，《爆炸氘能》的作者之一，俄羅斯原子能部核彈藥開發(fā)試驗局局長、技術(shù)科學(xué)博士沃洛什在《武裝、政策、軍轉(zhuǎn)民》雜志發(fā)表文章，從政治、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)諸角度再次論證了建造爆燃式聚變反應(yīng)堆的可行性。

據(jù)悉，俄羅斯國家杜馬已成立了專門的小組，負(fù)責(zé)從政治和生態(tài)角度審議建造爆燃式聚變反應(yīng)堆問題。輿論認(rèn)為，一旦俄國家杜馬通過有關(guān)決議，俄羅斯就可以著手建造爆燃式聚變反應(yīng)堆。總之，爆燃式反應(yīng)堆在俄羅斯似已形成了呼之欲出的態(tài)勢，那么，未來的爆燃式聚變反應(yīng)堆是個什么樣子呢?

根據(jù)俄羅斯專家的設(shè)計思想。爆燃式聚變反應(yīng)堆是建在地下的一座體積巨大的鋼筋水泥防護(hù)的鍋爐(反應(yīng)堆)，運行時每隔半小時或1小時向爐內(nèi)投入一次用引爆器、裂變材料和氘—氘、氘—氚制成的能量裝料，進(jìn)行一次熱核爆炸，取得氘聚變能。同時，爐內(nèi)用大量的液態(tài)鈉做載熱體，將熱能導(dǎo)出，液態(tài)鈉同時還對爐體起到保護(hù)作用。(見示意圖)。

俄羅斯專家認(rèn)為，這一裝置的設(shè)計以在試驗中經(jīng)驗證的方法和實現(xiàn)氘原子聚變反應(yīng)的裝置為基礎(chǔ)，與等離子磁約束或激光擠壓靶等試驗方法實現(xiàn)的氘氚混合物聚變有本質(zhì)的不同，并且，受小能量核爆炸而產(chǎn)生的熱核中子影響，氘原子聚變能還能消除傳統(tǒng)核反應(yīng)堆固有的一些局限。

俄羅斯專家解釋說，人類從爆炸中獲取能量的例子比比皆是，汽車的發(fā)動機就是我們身邊的“爆燃式反應(yīng)堆”。它通過點燃?xì)飧變?nèi)的燃料，使氣體迅速膨脹，從而產(chǎn)生能量來推動活塞做工。計算證明，爆燃式聚變反應(yīng)堆內(nèi)單位面積上所受到的壓力并不比汽車發(fā)動機大。

無獨有偶，美國LNL國家實驗室也進(jìn)行了類似的試驗。與俄羅斯區(qū)別在于：美國采用的是2-3千噸TNT爆炸當(dāng)量的氘氚混合物，裂變材料為數(shù)克钚或鈾—233，大約每10分鐘爆炸1次；俄羅斯采用的是1-2．5萬噸TNT爆炸當(dāng)量的純氘，裂變材料為數(shù)十克鈾—233，每半小時爆炸一次。兩種方法在爆燃式反應(yīng)堆內(nèi)產(chǎn)生的能量密度相同，均為15—40兆焦耳／米3，未超過普通內(nèi)燃機的能量密度。由于以上區(qū)別，俄羅斯的爆燃式反應(yīng)堆的設(shè)計在體積上和材料消耗上都超過美國。氚需要用人工制造，俄羅斯在能量裝料中沒有使用氘—氚材料，而采用了氘—氘材料，所以裝料的成本較低。另外，爆炸的能量大和間隔時間長也使裝料的數(shù)量少于美國。

在載熱體和爐體保護(hù)材料的選用上，俄羅斯使用的是液態(tài)鈉，美國由于使用了氚，所以采用了氟化鋰和氟化鈹鹽。俄羅斯專家認(rèn)為，氟化鋰和氟化鈹鹽價格昂貴，溶化溫度(約400~E)比鈉(約100~C)高，對環(huán)境污染的危險性也比鈉大。建造爆燃式反應(yīng)堆時需解決的問題

俄羅斯專家認(rèn)為，若要建造爆燃式聚變反應(yīng)堆，需解決下列問題。

首先是政治問題。俄羅斯已簽署和批準(zhǔn)了禁止核爆炸的全面禁止核試驗的條約。但俄羅斯專家指出，該條約的有關(guān)章節(jié)規(guī)定，條約生效10年后，締約國有權(quán)在相關(guān)的會議上通過和平利用核爆炸的決定。禁止核爆炸的目的是確保生態(tài)環(huán)境，而爆燃式聚變反應(yīng)堆內(nèi)使用的氘是目前最清潔的能源載體，爆燃式聚變反應(yīng)堆工作時產(chǎn)生的有害物質(zhì)要比當(dāng)前世界上任何一座核電站、水電站、火力發(fā)電廠都少得多。所以，完全可以通過簽訂準(zhǔn)許建造爆燃式聚變反應(yīng)堆的國際協(xié)議來解決這個問題。

第二是安全問題。俄專家認(rèn)為，在以往的進(jìn)行地下核試驗中已有現(xiàn)成的答案。在降低腔室內(nèi)機械負(fù)荷及減震方面，俄羅斯擁有計算精確的試驗數(shù)據(jù)。爆燃式聚變反應(yīng)堆工作時，反應(yīng)堆中的機械能可迅速地轉(zhuǎn)化為熱能、爆炸裝料能夠被控制，再加上有足夠厚度的防護(hù)層，反應(yīng)堆的安全是有保證的。

另外，由于爆燃式聚變反應(yīng)堆所用的裂變材料比普通核電站和快中子堆少，其生產(chǎn)1瓦電力所產(chǎn)生的放射性廢料僅為上述反應(yīng)堆的幾十分之一。

第三是爆燃式聚變反應(yīng)堆所需的材料問題。俄羅斯技術(shù)物理所已制造出由引爆裝置、裂變材料和氘組成的氘能裝料。如按每小時填裝一塊計，全年共需24x365=8760塊裝料。俄羅斯專家指出，氘能裝料中可使用現(xiàn)有的各類裂變材料，如鈾—233、鈾—235、鈾—238、钚—239、釷—233等。

關(guān)于爆燃式聚變反應(yīng)堆的載熱體材料，除液態(tài)鈉外，還可使用液態(tài)鉛鉍合金，這項技術(shù)已在艦船反應(yīng)堆上得到應(yīng)用。對于2．5萬噸TNT爆炸當(dāng)量的氘能裝料，大約需要20萬噸的載熱體材料。俄專家認(rèn)為這一數(shù)量非常實際，完全能夠辦到。

至于核聚變反應(yīng)的最佳物質(zhì)氘，在海水中幾乎是取之不盡的，完全不成為問題。爆燃式聚變反應(yīng)堆的建造及其效益 根據(jù)俄專家的設(shè)計，若建一座功率為25千兆瓦的爆燃式聚變反應(yīng)堆，其地下工程的高度約為180至250米、寬約180米、外殼厚度約為30米。建造這個龐然大物約需耗費600萬噸水泥、100萬噸鋼材和20萬噸液態(tài)鈉。俄專家指出，除非發(fā)生大規(guī)模的核爆炸，這種結(jié)構(gòu)完全可將氘能裝料爆炸的機械能及時轉(zhuǎn)化為熱能。 關(guān)于建造經(jīng)費和效益，據(jù)測算，一座功率為25干兆瓦的爆燃式聚變反應(yīng)堆產(chǎn)生的效益相當(dāng)于每年4000萬噸煤、或每年20噸鈾—235的效益。使用爆燃式聚變反應(yīng)堆可使每度電(千瓦／小時)的價格低于0．04美元。建造一座每小時氘能裝料爆炸當(dāng)量為1萬噸的試驗性爆燃式聚變反應(yīng)堆大約需要50億美元。目前俄羅斯國家杜馬審議的方案是先建造一座熱功率為2000-9000兆瓦，電功率為700-3000兆瓦的試驗樣堆，需投資5億美元。

結(jié)束語

1973年以來，人類共向地球索取了5000億桶(約合800億噸)石油，剩下的石油按現(xiàn)有生產(chǎn)水平匡算，還可保證開采40多年。天然氣也只能持續(xù)開采50余年，一些國家的煤炭資源已采掘殆盡。礦物能源不僅造成各種污染和“溫室效應(yīng)”，而且大約在200年之內(nèi)，石油、煤和天然氣資源都有枯竭之虞。從長遠(yuǎn)來看，核能將是繼石油、煤和天然氣之后的主要能源，人類必將從“石油文明”走向“核能文明”。不過，在受控式核聚變堆經(jīng)過半個多世紀(jì)的研究仍不能應(yīng)用的情況下，爆燃式聚變反應(yīng)堆的出現(xiàn)或許會給人類開辟一條獲取核聚變能的新的希望之路。