氦3热核反应的问题

【专家解说】：科学家要想让氘原子和氚原子在特殊的位置发生碰撞并且发生聚变，需要1亿摄氏度以上的极高温环境。用核聚变原理造出来的氢弹就是靠先爆发一颗核裂变原子弹而产生的高热，来触发核聚变起燃器，使氢弹得以爆炸。但是，用原子弹引发核聚变只能引发氢弹爆炸，却不适用于核聚变发电，因为电厂不需要一次惊人的爆炸，而需要缓缓释放出来的电能，也就是需要“可控核聚变”。 可控核聚变反应的梦想一直被许多科学家认为不可能实现。但是，最近日本和欧洲进行的一些实验表明，处理如此高温的物质虽然十分困难，但也并非不可能。激光技术的发展，使可控核聚变的“点火”难题有了解决的可能。目前，世界上最大激光输出功率达100万亿瓦，足以“点燃”核聚变。除激光外，利用超高温微波加热法，也可达到“点火”的温度 在起初的研究中，加热和容纳等离子体所需的能量超过了核聚变反应所产生的能量。也就是说投入大于产出，于是有记者评论说“核聚变反应器是核物理学家的一个价格昂贵的玩具”。由此，1997年美国停止了核聚变反应的研究。然而没过多久，英国的欧洲联合实验室和日本的JT－60核聚变反应器都成功地使核聚变产生的能量大于它消耗的能量。日本研究核聚变反应甚至能达到5.2亿度的高温，每分钟产生的能量比消耗的能量高出25％。这项研究进展打消了一些国家政府的疑虑，重新投入资金研究核聚变反应。 国际实验热核反应堆是世界最大的核聚变反应堆，该实验站的建造计划在30年中总投资100亿欧元，其首期建造工程将持续10年，预计耗资50亿欧元，由欧盟承担其中40％的费用。建成之后20年的运营成本将再需要50亿欧元。总耗资约100亿欧元，我国于2003年2月18日加入该计划，预计投入10亿欧元，这是我国继“双星”计划和“伽利略”导航卫星计划之后加入的第三个大型国际科技合作项目。当然，巨大的投资也将为投资国带来巨大的经济和科技回报。设计者希望国际实验热核反应堆的研究能够消除大家对核聚变反应的怀疑，证明核聚变反应确实能为未来提供一种可行的能源，成功地为在本世纪中叶建成核聚变电站打好基础。 从1994年开始，美国就开始在加利福尼亚州的劳伦斯·利物摩尔国家实验室里建造国家点火装置，中途多次停工。这个工程预计耗资12亿美元，到2010年完工。该装置建成后将是世界上最大的激光装置。该激光装置的大厅有215米长，120米宽。它每次激光脉冲的最大输出能量可达1.8兆焦，其瞬间最大输出功率达到54000亿千瓦，是美国所有电厂输出功率的500倍。这么大的输出功率有可能“引燃”核聚变反应。国家点火装置将通过高强度激光来模拟太阳或其他恒星内部发生核聚变化学反应的条件，研究激光核聚变反应的控制方法和输出功率，为以后商业核聚变发电做理论准备。 ３个氦核聚合成１个碳核 氘—氚反应的产物为氦－４和中子，而氘—氦－３反应的产物为氦－４和质子，从防护、安全等方面分析，氘—氦－３反应的优势不可忽视。更不应该回避的是氚是一种放射性核素，而氦－３是稳定核素，大量使用氚所带来的防护、安全、造价等一系列难题是难以估量的，也无法与使用氦－３相比拟。文中只提出地球上的氘极其丰富，但也不应该回避地球上的氚提取困难；氦－３极其贫乏，从全地球的天然气、海水、大气……提取氦－３，全地球大约只有１５吨，无法满足资源需求。因此，探测与估算月球月壤中１００万～５００万吨氦－３的资源量，作为一种科学探测是有意义的。至于将来４０～５０年以后人类如何开发利用月球的氦－３， 聚变能是一种无限的、清洁的、安全的新能源。核聚变主要原料是氢（H）、氘（D）和氚（T）。由于4个氢核聚合成一个氦这个反应速度太慢，不适合在地球上反应，所以一般不考虑。D-D反应是首选的聚变反应。氘又叫重氢。较易从海水中提取，氘在地球的海水中藏量丰富，多达40万亿吨，如果全部用于聚变反应，释放出的能量足够人类使用几百亿年，而且反应产物是无放射性污染的氦。另外，由于核聚变需要极高温度，一旦某一环节出现问题，燃料温度下降，聚变反应就会自动中止。又因为每时每刻只有一丁儿氘聚变，没有失控危险。也就是说，聚变堆是次临界堆，绝对不会发生类似前苏联切尔诺贝利核（裂变）电站的事故。 聚变的第一步是要使燃料处于等离子体态，即进入物质第四态。等离子体是一种充分电离的、整体呈电中性的气体。在等离子体中，由于高温，电子已获得足够的能量摆脱原子核的束缚，原子核完全裸露，为核子的碰撞准备了条件。当等离子体的温度达到几千万摄氏度甚至几亿度时，原子核就可以克服斥力聚合在一起。目前，激光技术的发展和进步，使高温点火问题获得解决，世界上最大的激光器输出功率已达100万亿瓦，足够点燃核聚变之用。此外，利用超高频微波加热法也可达到点火温度。如果同时还有足够的密度和足够长的热能约束时间，这种聚变反应就可以稳定地持续进行。等离子体的温度、密度和热能约束时间三者乘积称为“聚变三重积”，当它达到1022时，聚变反应输出的功率等于为驱动聚变反应而输入的功率，必须超过这一基本值，聚变反应才能自持进行。 受控热核聚变能的研究分惯性约束和磁约束两种途径。 惯性约束：激光惯性约束是在直径为0.4mm的小球内充以30-100大气压的氘氚混合气体，用强激光（1012-1014W）均匀照射，使氘氚混合气体的密度达到液体密度的一千到一万倍，温度达到108K而引发聚变。其它惯性约束方案：电子束、重离子束惯性约束。 磁约束：是利用强磁场可以 很好地约束带电粒子这个特性，构造一个特殊的磁容器，建成聚变反应堆，在其中将聚变材料加热至数亿摄氏度高温，实现聚变反应。20世纪下半叶，聚变能的研究取得了重大的进展，托卡马克类型的磁约束研究领先于其它途径。托卡马克是前苏联科学家于上世纪60年代发明的一种环形磁约束装置。美、日、欧等发达国家的大型常规托卡马克在短脉冲（数秒量级）运行条件下，做出了许多重要成果。等离子体温度已达4.4亿度；脉冲聚变输出功率超过16兆瓦；Q值（表示输出功率与输入功率之比）已超过1.25。所有这些成就都表明：在托卡马克上产生聚变能的科学可行性已被证实。但这些结果都是在数秒时间内以脉冲形式产生的，与实际反应堆的连续运行仍有较大的距离，其主要原因在于磁容器的产生是脉冲形式的。受控热核聚变能研究的一次重大突破，就是将超导技术成功地应用于产生托卡马克强磁场的线圈上，建成了超导托卡马克，使得磁约束位形的连续稳态运行成为现实。超导托卡马克是公认的探索、解决未来具有超导堆芯的聚变反应堆工程及物理问题的最有效的途径。目前，全世界仅有俄、日、法、中四国拥有超导托卡马克。法国的超导托卡马克Tore-supra体积是HT-7的17.5倍，它是世界上第一个真正实现高参数准稳态运行的装置，在放电时间长达120秒条件下，等离子体温度为两千万度，中心密度每立方米1.5×1019，放电时间是热能约束时间的数百倍。