郭鵬程 吳 靜 姚列明

(電子科技大學物理學院 四川 成都 611731)

1 引言

工業(yè)革命以來，各國的工業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活對煤炭、石油、天然氣為代表的化石能源的依賴與日俱增，尤其是自20世紀之后，由于世界人口急劇增加，并且人均能源消耗也逐年上升，這樣的情況下不可再生的化石能源終將會在未來枯竭，加上環(huán)保的壓力，清潔能源逐步取代化石能源的計劃勢在必行．聚變能是未來最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉矗豢煽氐暮司圩儭獨鋸棾晒柺?，巨大的能量釋放能力震驚世界，自此之后，人們一直希望可以讓它穩(wěn)定可控的輸出能量．

經(jīng)過幾十年的研究和資金投入，核聚變領域碩果累累，坐落于我國合肥市的EAST[1]成功實現(xiàn)1 000 s的等離子體約束，是全世界約束時間最長的托卡馬克裝置．多國合作的ITER[2]和我國近期上馬的CFETR[3]項目是目前世界上最大的托卡馬克工程，致力于建成商業(yè)級的聚變實驗堆．高新技術也是基于基礎物理，中學生也可以對可控核聚變有自己的理解．

2 聚變能介紹

核能來自于原子核內(nèi)部，它的應用不受時間和空間限制，反應前后原子核質量出現(xiàn)虧損，質能方程(1)描述了其釋放出的巨大能量

E=Δmc2

(1)

裂變反應是以鈾235為代表的重元素的原子核分裂釋放能量，燃料能量密度高，但是裂變電站會產(chǎn)生放射性廢料，并且裂變電站歷史上發(fā)生過一些安全事件(如切爾諾貝利事件、福島事件)，導致裂變電站的建造遇到重重阻隔，裂變發(fā)電最大的問題則是原料儲量不足，若是單純以地球上的所有鈾235裂變?yōu)槿祟愄峁┠茉?，則礦藏儲量會在30年內(nèi)耗光，聚變能才是最好的解決出路．

在地球上還不存在天然的核聚變反應，也未曾實現(xiàn)可控的核聚變反應．失控的聚變反應也就是氫彈，在幾十年前已經(jīng)實現(xiàn)，裂變的原子能急速爆發(fā)，將氫同位素壓縮加熱，突破了庫侖力的阻隔，實現(xiàn)聚變，爆發(fā)出更大的能量，這就是熱核反應．如能使得熱核反應被約束在一定的區(qū)域內(nèi)，基于人們的意圖有控制的反應，就是可控熱核聚變[4]，可控熱核聚變是聚變反應堆以及未來聚變電站的基礎．

聚變反應的主要方程式如下

D+T→4He+n

(2)

式(2)表示的DT聚變反應釋放17.58 MeV能量，eV(電子伏特)是一個電子經(jīng)過1 V的電勢差后所獲得的動能，MeV即百萬電子伏特．而式(3)表示的氫氧燃燒反應僅釋放能量5.92 eV，可以看到聚變能量密度是化學能的百萬倍

2H2+O2→2H2O

(3)

6Li+n→T+4He

(4)

鋰礦在地球上廣泛分布，其中鋰6的同位素相對豐度為7.5%，儲量巨大，因此，以鋰做前置反應的DT聚變可以為人類提供超過300萬年的能源供應，可以認為是取之不盡的清潔能源．

3 可控核聚變工程設想

可控聚變有3個關鍵條件需要達成：

(1)溫度．聚變反應需要氘和氚原子核直接碰撞，對于都帶正電荷的兩個原子核來說十分困難．溫度是微觀粒子熱運動的宏觀表現(xiàn)，溫度越高粒子所攜帶的動能也就越大，溫度高到一定程度時，氘和氚核才可以克服巨大的庫倫勢壘實現(xiàn)接觸．

(2)粒子密度．可使用的聚變堆必須達到一定的聚變功率，不然聚變所釋放的能量還抵不過加熱氘氚所輸入的能量，入不敷出．在粒子的聚變概率一定的情況下，聚變功率和粒子密度成正比，粒子密度條件也是必須的．

(3)約束時間．聚變裝置的運行包括啟動、放電擊穿、組合加熱、穩(wěn)態(tài)運行等階段，必須要使得穩(wěn)態(tài)運行時間夠長，畢竟在有效的反應時間內(nèi)才會發(fā)生聚變釋放能量，穩(wěn)態(tài)運行的前提就是裝置內(nèi)粒子約束完好，因此約束時間夠長也是必要條件．

基于以上設想，得到了用三重積表示的DT反應點火條件：

nτET>3×10-21m-3keVs

(5)

上式中n為粒子密度，τE為約束時間，T為等離子體溫度．

核聚變所需的氘和氚在超高溫狀態(tài)下是等離子態(tài)，電子脫離了原子核，這樣的物質狀態(tài)受到引力和電磁力的宏觀作用，雖然不可能被普通的容器容納，但也有了被力場約束的可能．

引力約束發(fā)生在太陽這樣的恒星之上，地球上的太陽能、風能、化石燃料歸根結底是來自太陽聚變的能量．恒星依靠其巨大的質量產(chǎn)生引力場對物質保持約束，使其中心區(qū)域保持很高的物質密度，這樣一來，聚變反應就會持續(xù)進行，在地球上我們感受最大的引力來自于地球本身，這樣的引力離聚變約束條件還差的非常遠，更無法產(chǎn)生媲美恒星的引力場，因此也就不能使用這種方式實現(xiàn)可控的聚變．

慣性約束[5]的概念并不直觀，其設想構思事實上沒有對等離子體施加任何約束，單純憑借粒子自有的慣性，將聚變?nèi)剂献龀砂型?，使用高強度短脈沖的激光從各方向同時照射，因為激光作用時間極短，燃料還來不及逃離便以被加熱到足以聚變的程度．目前世界上最先進的慣性約束工程是美國的國家點火裝置NIF，除了美國之外，法國的LMJ和中國的神光計劃也是同樣性質的科研項目．

磁場約束的方法受到了人們的青睞，在磁場中，帶電粒子受到洛倫茲力的作用，受力與磁場和自身運動速度方向都垂直，其運動方程為

(6)

若是帶電粒子所處的磁場是均勻的，那么該粒子將環(huán)繞磁感線做圓周運動，其圓頻率可以表示為

(7)

這個頻率被稱作回旋頻率，它與粒子的荷質比和磁場強度有關，而與速度無關，粒子所攜帶電荷的正負會影響回旋運動的方向，在等離子體中，電子和離子的運動方向相反，回旋半徑表示為

(8)

式(8)被稱為拉莫爾半徑，其大小與磁場強度成反比，與粒子質量和垂直于磁場線的速度成正比，不影響沿磁力線的運動，所以粒子總的運動是回旋運動和沿磁場線平動的合成，整體的運動呈螺旋線軌跡．

基于磁場的特性，強磁場可以將等離子體限制在有限的區(qū)域內(nèi)，托卡馬克的構想應運而生．其基本原理如圖1所示，幾組不同功能的線圈組合之下，只要磁場強度達標，回旋半徑小于裝置的橫截面尺寸，等離子體就會在輪胎狀的裝置內(nèi)回旋往復，持續(xù)加熱之下，氘核和氚核就被賦予非常大的動能，使得兩個帶正電的原子核可以突破庫侖力的排斥，最終直接相撞發(fā)生聚變反應．

圖1 托卡馬克裝置原理

4 核聚變應用前景

近年來，“人類世”的概念頻現(xiàn)于各學科學者的論述之中，以此為主題會議和研究屢見不鮮．其核心主旨是，人類活動對地球的影響已達到形成新地層與新生態(tài)的程度，使地球進入一個新的時期，環(huán)境問題或者說人與自然的關系，已經(jīng)是關系到每個人生活的重大問題．人類需要更多能源，同時又需要更低的碳排放，在這樣的剪刀差之下，發(fā)展清潔能源是唯一可行的出路．

清潔能源品目繁多，其中的風力、水力、太陽能、生物質能被稱為可再生能源，它們最為人們熟知，為了響應國際共識和國家計劃，在2030年前實現(xiàn)碳達峰，2060年前達到碳中和，可再生能源已經(jīng)在我國大量應用，特別是西部北部地區(qū)．不過目前來看這些可再生能源效率不高，并且普遍有著時間和空間上的局域性，可以作為能源體系的重要補充，但不能接過石油煤炭的接力棒承擔起人類主要能源的重任．

核聚變能量密度高、儲量巨大、對環(huán)境友好，是最具潛力的清潔能源，將會在幾十年后成為不可或缺的能源組成部分，可能在以下領域產(chǎn)生巨大價值：

(1)減少污染排放，助力人與自然和諧共生．代替燃煤成為發(fā)電的主力軍，配合新能源汽車的普及，將極大減少溫室氣體和霧霾的嚴重程度，緩解城市及其周邊的環(huán)境壓力，空氣質量直線上升．

(2)使得國家實現(xiàn)能源自由．石油是當今社會的動脈，與各行各業(yè)和人們的日常生活息息相關，我國進口石油比例達到了70%，對進口石油非常依賴，一旦國家外部環(huán)境緊張，油價隨之水漲船高，俄羅斯、中東地區(qū)局勢波動都曾讓國內(nèi)的司機苦不堪言，可控核聚變進入商業(yè)化就可以讓我國擺脫對外石油依賴，實現(xiàn)能源自由．

(3)為北方冬天直接供暖，減少能源轉換損耗．(1)、(2)兩點都是基于可控聚變發(fā)電而言，實際上還有更直接的利用方式，托卡馬克水循環(huán)系統(tǒng)可以不經(jīng)過汽輪發(fā)電系統(tǒng)，將冷卻水和暖氣系統(tǒng)進行熱交換，為城市提供直接的暖氣供應，一舉解決我國廣袤的北方大地冬天空氣指數(shù)爆表的問題．

(4)一些特殊項目動力來源．現(xiàn)如今有很多航母和潛水艇搭載了核裂變反應堆作為動力來源，由于核能密度高，同樣質量的燃料可以釋放遠超化學燃燒的能量，因此核動力航母和核潛艇可以在大海航行幾個月到數(shù)年時間不用上岸補給，可控核聚變的發(fā)動機若是成功，有望讓這些大型船舶的航運能力再上一個臺階．除此之外，還有一些研究人員提出了聚變火箭發(fā)動機[6]的設想，以聚變?yōu)閯恿t有望進行超長時間的宇宙航行，奔向燦爛星海．

5 結束語

核聚變工程功在當代、利在千秋，是未來能源的最好選擇．先進科技包含著世界上最前沿的科學和技術，但我們也可以看到，再高深的科學也是基于中學所學到的知識，即使是中學生也可以對可控核聚變有自己獨特的正確見解，學以致用并非一定要會解題或者會發(fā)明創(chuàng)造，能把自己所學的知識變成自己的見解也是極好，基于書本，放眼世界，愿知識都變?yōu)橥瑢W們的智慧和力量．

除此之外，清潔能源背后的思政教育也非常重要，我們的教育體系應當從小教育學生熱愛環(huán)境，并懂得如何保護環(huán)境，學會與自然和諧共處，熱愛祖國的大好河山，在物理課堂上，同學們也可以學會理解政策的良苦用心，了解我國在高新科技上的成就，樹立文化自信和民族自信，學習有力量，學習有方向．