第14章 能源核聚变

核聚变就是利用氢、氦等较轻的原子核聚变成较重的原子核，同时释放出大量能量。聚变反应放出的能量称为聚变能。氢弹爆炸就是聚变反应。

那么如何使它们发生核聚变呢？要想使两个较轻原子核发生聚变，就必需使这两个核距离非常近，相互距离要小于1000万亿分之三米才行。只有在这个距离内，两个核内的核力才能相互作用而产生聚变反应。但是，在地球上天然存在的物质中，原子核都是带正电的。要使两个带正电的原子核互相靠近，就必需克服它们之间的静电排斥力；而且这种斥力的大小与两个核之间的距离的平方成反比，随着距离的减小斥力就会增加。所以只有使两个核获得足够的动力，然后快速撞上去，才能克服静电斥力从而发生聚变。因此，最常用的方法就是将聚变材料，加热到几千万至几亿摄氏度的高温，来使它们的原子核获得足够动能，为核聚变的发生创下条件。所以通常把这种核聚变反应又称为热核聚变。

现在世界各国都非常重视可控制热核反应的研究，因为核聚变能源具有其他能源，包括核裂变能源无法相比的一系列优点。

释放能量大。1千克铀²³⁵裂变所释放的能量是燃烧1千克煤释放的能量的270万倍；而1千克氘、氚混合物聚变所释放的能量比1千克铀²³⁵的裂变所释放的能量还要多4.14倍。

原料储量丰富。聚变材料氘蕴藏在自然界的水中。1千克海水中能提炼出0.03克的氘。但这一点点氘，通过聚变反应就能释放出相当于300升汽油的能量。而全球的海水中共含有40万亿吨氘，可以满足人类几十亿年的需要。氘、氚核聚变所用的氘，由于具有衰变性，在自然界中几乎不存在，但可以通过使锂吸收中子的方法得到。地球上的锂，足够使热核技术发展到完全以氘、氘核聚变代替氘、氚核聚变的时代。

开采成本低廉。目前制取1千克裂变材料浓缩铀的费用约为1.2万美元，而制取1千克聚变材料氘只需300美元。从而大大降低了成本。

使用安全可靠。氘、氚核聚变反应的生成物是稳定的氦核，既没有放射性，也不污染环境。热核反应堆万一发生故障，只要向它停止供应聚变材料，反应就会因变冷而停止，不会产生爆炸等一些严重的事故。

可以发生聚变反应的轻核有很多种，但首选的聚变材料是氢以及它的同位素氘和氚。氢的原子核只有一个质子；氘和氚的原子核中，除各有一个质子以外，氘核中还有一个中子，氚核中则有两个中子。质子带正电，中子不带电，原子核带正电，就是因为其中的质子带正电。氢、氘、氚的核中各只有一个质子，它们在所有物质的原子核中带正电量最少。因经它们的核之间静电斥力最小，也就是说它们最容易发生聚变。不但容易发生聚变，而且释放出的聚变能也比其他类的聚变反应多。在氢类的核聚变中，又以氘核和氚核的聚变反应最好。氢弹用的聚变材料主要是氘和氚，这是它之所以称为“氢”弹的原因。氢弹中装了一个小型的原子弹作为引爆装置。原子弹爆炸产生极高的温度和压力，使氢弹在一瞬间发生热核反应而爆炸。这种一瞬间发生的大规模热核聚变反应，不受人工控制，巨大的聚变能一下子被释放干净，无法按照人们的意志来有效地加以利用。

能不能像控制裂变反应那样，造出热核反应堆来控制热核反应呢？对于科学家来说，这还是一件非常困难的事。

当然，就像上面所说的，首先要将聚变材料（氘和氚）加热到1亿摄氏度的高温。在这样的高温下，原子核外的电子已经与核完全脱离，使聚变材料完全变成由自由的带电粒子——原子核和脱离了原子核的电子组成的气体，称为等离子体。

另外，虽然在亿度高温的等离子体中原子核已具有了足够的动能，但仍不能保证它们能互相碰撞。为了加大它们碰撞的机会，要对等离子体进行控制，即要把它“压缩”到一个很小的空间内，使粒子的密度大大增加。一般这个密度要达到每立方米中的粒子数大于1万亿亿个。

热核反应堆如果能使材料达到1亿摄氏度的高温并将粒子密度压缩到每立方米1万亿亿个，且能使这种状态维持到1秒钟以上，热核反应就能发生并可持续地进行下去。以后的高温，就可以靠已经发生的聚变所产生的能量中的一部分来维持了。

但是，温度如此高的等离子体无法用任何容器来容纳。于是科学家想出用封闭磁场组成的“容器”来约束。这个“容器”又叫磁笼，它看不见，摸不着，不怕高温。这种约束等离子体的方法叫磁约束。

前苏联科学家设计的热核反应装置——托卡马克采用的就是磁约束装置。在这种装置中，聚变反应是在环状圆管内进行的。管上绕的通电超导线圈产生强磁场，使等离子体在管的中心线上做圆周运动，不和管壁接触。首先用电磁感应产生的大电流的欧姆热将等离子体加热到1000万摄氏度，再用注入高能中性粒子束等方法使等离子体达到亿度高温。

除前苏联外，美国、西欧、日本等都建有托卡马克装置，其中在20世纪80年代建成了世界著名的“四大托卡马克系统”，即美国普林斯顿大学的托卡马克聚变实验堆、建在英国的欧洲联合核聚变实验室的托卡马装置、建在日本茨城县那珂町的日本原子力研究所的JT60和建在莫斯科的俄罗斯的T15。1991年11月9日，欧洲联合核聚变实验室首次成功地完成了受控核聚变反应实验，聚变的时间持续了2秒钟，温度高达3亿℃，且有1700千瓦的能量输出。当然，实验与实用之间还存在着相当大的距离。

除了磁约束方法外，近年来科学家们又进行利用强大的激光或核粒子束对氘和氚的固体球诱发核聚变的研究，并已初见成效，这种方法称为惯性约束法。

现在世界上已有数百座热核反应实验装置。我国也有了近10个小型托卡马克装置，其中最大的是1989年9月建成的“中国环流1号”。它的建成使我国又获得了一个研究热核聚变的有力工具。

目前，美、英、俄、日等14国正在联合建造一座“国际热核反应堆”，估计在2005年投入使用。这个托卡马克型的反应堆有10层楼那么高，装有能量转换和传导设备，可以直接用于发电试验。然而，即使发电试验成功，人类要用上利用聚变能发出的电，估计也要在2020年以后才能实现。