周宇辰

摘 要 目前，世界上核電站均采用核裂變反應，其原料鈾儲量有限，反應中產生強烈輻射，核廢料也難以處理。相比之下，核聚變的輻射危害小得多，核聚變反應的原料氘氚儲量也近乎無窮無盡。本文介紹了核電站的運行流程和能量轉換過程，闡釋了聚變反應的物理原理和約束形式。然后介紹了以ITER和EAST為代表的核聚變裝置研究進展，著重介紹了我國核聚變研究；最后，對可控核聚變的發(fā)展前景進行了展望。

關鍵詞 核電；反應堆；可控核聚變；托克馬克

中圖分類號 TL62 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）17-0059-02

進入21世紀，世界化石能源（煤，石油，天然氣等）供應趨緊，我國能源結構緊張態(tài)勢日益加重。為減輕污染和減排溫室氣體，我國投入巨大的人力和物力開發(fā)新能源（風能、水能、太陽能等），以降低化石能源在我國能源結構中所占的比重，提高新能源所占的比重。但是，發(fā)展上述新能源也存在一定的問題，如風能、太陽能發(fā)電能力的不穩(wěn)定性，水能的資源有限和地域局限性等[1]。由此觀之，為應對全球能源危機，緩解國內化石燃料需求壓力，發(fā)展核能意義重大[2]。

目前，世界上核電站全部是利用核裂變反應獲取電能，裂變反應的原料鈾儲量有限，反應中產生強烈輻射，所產生的核廢料也難以處理。相比之下，核聚變的輻射危害小得多，核聚變反應的原料氘氚儲量也近乎無窮無盡。所以可控核聚變技術具有很好的發(fā)展前景[3]。

1 核電站的運行流程

根據反應類型，核能分為裂變能（裂變反應）和聚變能（聚變反應）。核電站是將核能轉變?yōu)殡娔艿膹碗s系統(tǒng)。從能量角度講，核電站中的能量轉換為：核能一水蒸氣的熱能一汽輪機的機械能—電能。

核電站中主要利用3個回路來完成“核能一水蒸氣的熱能一汽輪機的機械能—電能”的轉換。如圖1給出了壓水堆的工作流程。一回路利用冷卻劑將反應堆產生的巨大熱量轉移至蒸汽發(fā)生器，形成一個閉式循環(huán)。二回路中，水在蒸汽發(fā)生器吸收熱量變?yōu)檎羝?，然后進入汽輪機做功，帶動發(fā)電機發(fā)電，實現(xiàn)熱能-機械能-電能的轉變，做功后的乏汽進入冷凝器發(fā)熱重新液化，流回蒸汽發(fā)生器，循環(huán)往復，二回路也是閉式循環(huán)。三回路中，主要是利用海水、湖水或河水將冷凝器的廢熱帶走，將二回路中的乏汽重新液化，三回路為開式循環(huán)，需要大量的水。整體來看，二回路驅動發(fā)電機所產生的電能經變壓器輸送至用戶處[4]。

2 核聚變的物理原理

根據質能方程E=mc2，核反應中，部分質量湮滅，轉化為能量。由于質能方程中，E為能量，c為光速（3×108m/s），m為質量，核反應中釋放的能量是巨大的。核能根據反應的不同分為裂變能和聚變能。對于裂變能，重金屬元素（如鈾-235）的原子發(fā)生裂變反應，進而釋放出的巨大能量，目前商業(yè)化核電站中的反應均為裂變反應。裂變能核電站已經應用近60年，技術成熟，運行經驗豐富。但裂變能應用具有明顯的局限性：原料儲量有限，產生輻射較強，核廢料難以處理[5]。

另一種核能形式是聚變能，輕原子核經過聚變反應合成較重的原子核，進而釋放出的巨大能量。目前，地球上最容易實現(xiàn)的核聚變反應有四種，分別是：D（氘）和T（氚）、He（氦）和n（中子）、n（中子）和Li（鋰）、He（氦）和T（氚）的聚變。要實現(xiàn)以上反應的條件為：（1）溫度大于一億攝氏度。（2）密度大于2.5×1 020m-3。（3）能量約束時間大于1s～2s。相對于核裂變，聚變反應的原料（氘氚）儲量近乎無窮無盡，核聚變不會產生核裂變所出現(xiàn)的長期和高水平的核輻射，不產生核廢料和溫室氣體，聚變能是一種真正的環(huán)境友好型能源。

核聚變反應中，極高溫下的原子核處于等離子態(tài)發(fā)生反應，高溫等離子體難以用傳統(tǒng)的容器進行約束。所謂可控核聚變就是利用不同方法實現(xiàn)對高溫等離子體的有效約束，約束高溫等離子體不使其逃逸或飛散，從而控制聚變反應有序發(fā)生。目前，主要有3種約束途徑：磁約束，慣性約束和重力約束[6]。目前，磁約束核聚變被認為是最有前途的。托卡馬克（Tokamak）應用于可控核聚變在業(yè)內已經形成共識，科學可行性也已得到證實。托卡馬克于20世紀50年代由前蘇聯(lián)科學家提出，是一種利用磁約束來實現(xiàn)可控核聚變的環(huán)形容器。目前，托卡馬克環(huán)境的主要參數(shù)：最高溫度能達到2～4億度，最高聚變輸出功率超過16兆瓦，聚變Q值（輸出功率/輸入功率）已達到1.25。

在能量密度方面，一克鈾235（核裂變燃料）發(fā)生裂變反應所產生的能量相當于1.8t石油；一克氘-氚（核聚變燃料）發(fā)生裂變反應所產生的能量相當于8t石油。地球上大量的水中所含的氘、氚元素使得聚變反應產生的能量無窮無盡。

3 可控核聚變的發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 典型熱核實驗裝置

1）ITER?！皣H熱核聚變實驗堆（ITER）計劃”是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一，通過共同協(xié)作已有科技成果，首次建造大規(guī)模聚變實驗堆，其目標是解決可控核聚變的大量技術難題。ITER裝置的建造目的包括4項：（1）產生和研究維持400s的感應驅動燃燒等離子體；（2）產生和研究穩(wěn)態(tài)非感應驅動燃燒等離子體；（3）檢驗主要聚變堆技術；（4）堆部件試驗，包括氚處理。2006年5月，中國與歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國共同草簽了ITER計劃協(xié)定。此后參與各國開始合作建造“國際熱核實驗堆（ITER）”[7]。

2）EAST。EAST全稱是Experimental Advanced Superconducting Tokamak（先進實驗超導托卡馬克），其目標是針對近堆芯等離子體穩(wěn)態(tài)先進運行模式的科學和工程問題。EAST裝置特點：非圓截面、全超導及主動冷卻內部結構。其主要技術特點和指標是：16個大型“D”形超導縱場磁體將產生縱場強度大約3.5T；12個大型極向場超導磁體可以提供磁通變化10伏秒以上；通過這些極向場超導磁體，將能產生≥100萬安培的等離子體電流，持續(xù)時間將達到1 000s，在高功率加熱下溫度將達到一億度以上[8]。endprint

中國在積極參與ITER計劃的同時，國內的東方超環(huán)（EAST）計劃也取得了極大的進展。2016年11月，EAST實現(xiàn)了電子溫度達到5 000萬度持續(xù)時長102s的等離子體放電。這項新的世界紀錄使EAST成為世界首個實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模運行持續(xù)時間達到分鐘量級的托卡馬克，也標志著中國在穩(wěn)態(tài)磁約束聚變研究方面繼續(xù)走在國際前列。

3.2 我國可控核聚變研究

20世紀50年代中期，我國就開展了可控核聚變研究。1983年6月，我國提出了中國核能發(fā)展“三步走（壓水堆—快堆—聚變堆）”的戰(zhàn)略，以及“堅持核燃料閉式循環(huán)”的方針。EAST裝置的成功設計，標志著中國聚變研究三步走發(fā)展規(guī)劃的第一步（面向國際前沿，夯實國內基礎（2005—2015））已基本完成。在2015—2030年這個階段，我國將完成發(fā)展規(guī)劃的第二步：面向國家戰(zhàn)略能源需求。具體體現(xiàn)為：建造中國自己的穩(wěn)態(tài)燃燒托卡馬克實驗堆（混合堆）開展聚變示范堆關鍵部件、關鍵技術或關鍵工藝預研或攻關，全面掌握聚變示范堆技術。中國聚變研究三步走發(fā)展規(guī)劃的第三步為：實現(xiàn)科研到商業(yè)化的轉變（2030—2050）。在該步驟的要求下，我國將面臨兩種選擇：1）繼續(xù)走國際合作之路，聯(lián)合建造DEMO（示范堆），進而實現(xiàn)核聚變能源的商用化；2）建造“中國磁約束聚變示范堆”，進而實現(xiàn)純聚變能源的商用化[9]。

4 結論與展望

為了應對當前的能源危機和環(huán)境壓力，對新能源的開發(fā)迫在眉睫。核能（裂變）具有能量密度高、技術成熟等優(yōu)點，但也有鈾資源儲量有限和廢料難以處理的缺陷。未來的可控核聚變則具有無可比擬的優(yōu)勢。隨著以ITER和EAST一系列托克馬克裝置的建成，人類與可控核聚變的距離正在迅速拉近。我國對可控核聚變相關研究投入了大量人力物力，為世界可控核聚變研究作出了重要貢獻。期待著可控核聚變技術徹底解決人類能源和環(huán)境問題。

參考文獻

[1]周勝，王革華.國際核能發(fā)展態(tài)勢[J].科技導報，2006（6）：15-17.

[2]潘自強，沈文權.核能在中國的戰(zhàn)略地位及其發(fā)展的可持續(xù)性[J].中國工程科學，2008（1）：33-38.

[3]趙維平.可控核聚變技術——未來能源的希望[J].科技情報開發(fā)與經濟，2012（23）：129-131.

[4]丁厚昌，黃錦華.受控核聚變研究的進展和展望[J].自然雜志，2006（3）：143-149.

[5]邱勵儉.核聚變研究50年[J].核科學與工程，2001（1）：29-38.

[6]張杰.淺談慣性約束核聚變[J].物理，1999（3）：18-28.

[7]張一鳴.ITER計劃和核聚變研究的未來[J].真空與低溫，2006（4）：231-237.

[8]儲慧，趙君煜. EAST超導托卡馬克核聚變實驗裝置”的運行管理[J].科技管理研究，2015（21）：186-189.

[9]希物.我國核聚變研究開發(fā)的現(xiàn)狀[J].中國核工業(yè)，2006（12）：14-15.endprint