可控核聚变：未来能源的终极解决方案

可控核聚变：未来能源的终极解决方案

核聚变反应的认识

核聚变是指质量较轻的原子在超高温下发生的原子核聚合作用，生成新的质量较重的原子核并释放出巨大的能量。大规模的核聚变反应通常需要在极高温条件下（约1亿℃以上）进行，称为热核聚变。

核聚变过程

核聚变过程包括以下几个步骤：

1. 原料加入
2. 高温电离（约10万摄氏度）
3. 更高温度（上亿度）下的核聚变
4. 能量释放

在高温条件下，原子核会电离，使原子核可以自由运动并裸露出来，从而让两个原子核可以接触并发生聚变反应。

常见核聚变反应

• 氘氚聚变（D-T反应）：该反应可以在较低温度下实现，在相同温度下，其反应速率比其他反应要大，反应释能也多。
• 氘氘聚变（D-D反应）：利用时由于放出带电粒子质子，可以考虑采用磁流体技术直接发电的转换方式。
• 氘氦聚变：反应性较低，电子密度较高，其聚变功率降低。反应过程中会附带氘氘反应，进而产生中子。
• 氦-3聚变：不会产生中子，可以减轻设备材料的辐射损伤，降低放射性水平。

实现可控核聚变的条件

可控核聚变需要满足以下条件：

1. 极高的温度：核聚变反应需要在高温下进行（1亿℃以上）。
2. 充分的约束：高温下的等离子体十分不稳定，必须将高温等离子体维持相对足够长的时间，以便充分地发生聚变反应，释放出足够多的能量。
3. 能量平衡：能量生成速率与能量损失速率的平衡。

实现可控核聚变的方法

实现可控核聚变主要有两种方法：惯性约束和磁约束。

惯性约束

惯性约束聚变（ICF）利用粒子的惯性作用来约束粒子本身，从而实现核聚变反应。原理是利用驱动器提供的能量使靶丸中的核聚变燃料（氘、氚）形成等离子体，在这些等离子体粒子由于自身惯性作用还来不及向四周飞散的极短时间内，通过向心爆聚被压缩到高温、高密度状态，从而发生核聚变反应。

磁约束

磁约束是用特殊形态的磁场把氘、氚等轻原子核和自由电子组成的、处于热核反应状态的超高温等离子体约束在有限的体积内，使它受控制地发生大量的原子核聚变反应，释放出热量。磁约束装置主要有两种：磁镜和托卡马克装置。

核聚变发电研究进展

核聚变发电具有以下优点：

1. 无污染：不产生温室气体和放射性污染
2. 安全性好：聚变反应本身是依靠高温来维持的，不会因堆芯失冷而融化或爆炸
3. 原料广泛：从水中得到，地球水资源丰富
4. 经济效益：原料来自水中，氘较易提取，成本较低

国际热核聚变实验堆（ITER）

ITER是由包括中国在内的多个国家共同建造的，是人类受控核聚变研究的关键一步。

中国的核聚变技术

2017年7月4日，由中国科学院等离子体物理研究所研究建设的超导托卡马克实验装置EAST在全球首次实现了上百秒的稳态高约束运行模式，为人类开发利用核聚变清洁能源奠定了重要的技术基础。