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浅谈聚变核能(科普) [复制链接]

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来源:中科院合肥研究院 李自淳

未来大型聚变核能反应堆装置鸟瞰

  核能又叫原子能,是原子核发生变化,质量损失时放出的巨大能量。原子核的变化分为裂变和聚变,前者“一分为二”,后者“合二为一”。核能研究成功后首先被用于军事武器,就是原子弹和氢弹。但是很快就转为民用建立核电站造福人类。如世界第一颗原子弹是美国在1945年研制成功,当年就用于日本广岛和长崎,提前结束了二战。紧接着在1951年,世界上第一个裂变核电站也就在美国爱达荷裂变反应堆上试验成功,可以受控发出100千瓦的电力。中国是1964年原子弹试验成功,到1991年在秦山核电站发电成功,首台发电机容量为31万千瓦。至今世界上和我国已经建立了一大批裂变核电站,成为我国继火电、水电和风电之后的第四大主力能源。
  虽然裂变核电具有一系列优点,而且还在不断发展完善,但它的致命缺点是具有可怕的放射性,另外还有原料铀U235紧缺难得及核废料处理困难等问题。相比之下,聚变的原料是海水中可提取的氢的同位素氘H2和氚H3。地球上海水的含量比铀矿不知大多少倍。科学家计算出每升海水提取的氘和氚聚变产生的能量相当300升汽油燃烧产生的能量。所以有说同等重量的氢弹爆炸威力是原子弹的8倍。再加上聚变的生成物是惰性气体氦He4,无毒无害没有放射性,处理简便。所以说聚变核能具有清洁、安全、廉价、能量大,原料足等一系列优点,具有诱人的应用前景。
  世界上第一颗氢弹爆炸成功在1952年,是由美国在太平洋的小岛上完成。中国第一颗氢弹爆炸是1967年在罗布泊完成。以后全世界都致力于研究受控热核聚变发电,然而世界研究了50多年,我国研究了40多年,却至今都还没有成功,这是为什么?
  关于裂变受控发电的原理和情况,我已经发表了一篇科普作品《解密核电站》,点击http://blog.sina.com****/s/blog_a5b6418c0102xez4.html 可以查看,此不赘述。当今世界上所有的核电站都是裂变核电站。从裂变到聚变,原理不同,但用于武器的难度相差不大,所以从原子弹到氢弹,美国用了7年,中国只用了3年。但是两者用于民用发电的难度相差就非常大。
  首先看反应条件。裂变反应不需“点火”,常温常压下,只要裂变材料的体积超过“临界体积”,就会自行开始反应。原子弹引爆是把原先分开的两块分别体积小于临界体积的铀块合成一块,体积增大到大于临界体积,立即就反应爆炸。而氢弹里的氘核与氚核,都是带正电的粒子,同性相斥,根本聚合不到一块。只有设法加快它们的运动,在快速运动中偶然相撞,才可能发生聚变反应而生成新的元素氦,同时放出巨大能量和中子。要加快氘和氚原子的运动速度只有加温,把温度提高到几千万度到上亿度C,才能发生聚变反应,太阳里面就是这样的。在氢弹里,产生这么高的温度是依靠爆炸小型原子弹来完成的。这个措施在核武器里是可行的,但在民用的发电厂,是不可思议的。
  其次,就是反应堆的“容器”。要保持反应继续,必须把反应物控制在有限的空间而不能无限扩散逃逸。裂变压水堆的温度一般就三、四百度C,所以用合金钢就可制成外壳。而聚变的温度是几千万度到上亿度C,世界上所有的有形物质在这个温度下都变成气体,无法制成容器。
  这两大难题现在都已经由科学家们解决。“点火”肯定不用原子弹,而是用电能,用各种手段输入能量就可提高温度,叫做“加热”,现在我们中科院等离子体所的 “人造小太阳” EAST已经可以获得一亿度C的高温。而不怕高温的“容器”也解决了,用的材料是看不见摸不着的物质——磁场,叫做“磁约束”(太阳里面是“重力约束”,因其质量大)。做成的聚变反应器叫做“托卡马克装置”,它的主体是一个不锈钢制的,像汽车轮胎似的环形体,叫“环形真空室”,工作时内部抽成高度真空,避免杂质干扰聚变反应。因为高温的反应物被磁场约束在真空室环形轴线附近的“磁笼”内,因此和器壁不接触。加上真空不导热,器壁有冷却和保护措施,所以不会烧坏受损。为了加热提供能量,需要有大电流的线圈,叫“加热场线圈”;需要建立磁约束的磁场,也要大电流线圈,叫“纵场线圈”;还有调整磁场分布的“平衡场线圈”,所以环形真空室的周围里外布满了大电流的线圈。为了节省空间和减少输入能量消耗,缩小体积和重量,需要应用“超导技术”,即用超导材料代替铜材做线圈,手指粗的导线就能通过几十千安的电流。但是超导材料一般都要在零下269度C的低温下才能呈现零电阻的“超导”特性,故此还要在超导导体周围充满零下269度C的液氦。实际一个完整的“托卡马克”装置,需要配置强磁场、高真空、超低温、大电流、微波加热、中性注入,以及保护、控制、诊断测量、数据处理、烘烤冷却和高压变电供电补偿等一系列外围辅助子系统,是一个多门学科、多种技术交错综合而成的复杂科技系统。
  众所周知,物质有三态:为固态、液态和气态。这是由于温度升高,原子的运动速度加快,相互束缚减弱而成。所以从固态有一定体积和形状,到液态只有一定体积无一定形状,再到气态,全无一定体积和形状。而三态物体的“原子家庭”还都保持不变,就是电子围绕固定的原子核旋转而不“乱跑”。如果温度继续升高,就到“等离子态”,或叫“物质第四态”。这时“原子家庭”解体,电子并不围绕固定原子核运转,而是到处乱跑成“自由电子”。原子核失去电子就成了带正电的“离子”,但带负电荷的自由电子还在,正负电荷总量相等,整体表现出中性,所以叫“等离子态”,其物体就叫“等离子体”。核聚变过程中,温度到达几千万度至上亿度,全部都是高温等离子体,所以1978年成立的研究受控核聚变的我所就叫“等离子体物理研究所”。
  我国从1967年爆炸成功氢弹,说明核聚变的原料氘和氚已经解决。后来科学家又解决了电能加热点火和“磁约束”容器,就可以做“受控核聚变”的实验了。我们合肥等离子体所的前身——安徽光机所“受控热核聚变反应研究实验站”的同志,在1973年就开始设计制作一个小型的HT-6聚变实验装置,于1974年12月26日首次放电试验成功,打响了“人造小太阳”受控核聚变试验的第一炮。
  后来经过40多年的努力,等离子体所不断创新发展建造了4个不同的托卡马克装置,分别是HT-6B、HT-6M、HT-7和EAST,规模一个比一个大,参数一个比一个高,等离子体放电时间从开始的20毫秒发展到后来的400秒。我们在国际聚变界的地位也从开始的追跑,到后来的跟跑,到并跑,到最后的领跑。我们的聚变装置制造水平和装置实验数据已经到达国际领先水平。
  目前国际上最大的核聚变试验装置是在建的国际合作项目ITER,它建在法国,由中、美、俄、欧共体、日、韩和印度七方合作筹建。我国在里面贡献很大,但因是七方合作,工作效率低下,进展缓慢,而且即使建成,还是不能发电。为此我国在2017年底自己推出比ITER还大,约为其1.5倍的CFETR项目。它的名称由五个英文单词的首字母组成,即Chinese Fusion Engineering Test Reactor(中国聚变工程实验堆)。这是国家科技部下达的重大科技项目,中心主体在合肥,具体是中国科大和我们等离子体所,联合国内其他高校和研究单位,也接受国外的参与。该项目初期的“聚变园地”开工已有一年,地点就在我们等离子体所北面,三十岗乡内,国家拨给的3000亩农村土地上。
  这个项目的目标是要建立世界第一个聚变核电站。我所经过40多年努力,科研水平已达国际领先,聚变放电时间已经长达400秒。间隔约1000秒,又能继续放电,可以持续间断脉冲运行,产能占空比约为---1:2.5。这个过程有点像内燃机(四冲程产能占空比1:3),虽然放电产能不连续,但经过储能移能工质(有点像内燃机的飞轮,如水或氦气等)的热容量平衡滤波,以及多个反应装置并联错峰运行,可以达到连续平稳运行发电的要求。项目小组已经计划建立持续输出核功率1500MW左右的聚变反应堆,考虑能量转换的效率折扣,可带动600MW量级的汽轮发电机,相当秦山核电二期的水平,耗资1000亿人民币,占地3000亩,建在海边。
  CFETR项目的主要负责人之一,原等离子体所所长,中国工程院院士李建刚博士在国庆70周年电视讲话里说:“我们一定要在我们的有生之年,能让一盏灯被聚变能量所点亮,而且这盏灯一定,必须,首先要在中国!”
  ****主席2011年在视察我们等离子体所后指示:“这项核聚变能研究工作为人类在选择未来能源方面开辟了一条光明的道路,你们是在做一项非常伟大的事业,相信一定会取得成功,再接再厉!”
  让我们在党中央和习主席的英明领导下,壮丽七十年,奋斗新时代,把聚变核能的研究开发工作推向新****!
  
  世界领先的“人造小太阳”EAST托卡马克核聚变实验装置

  
  李建刚院士国庆70周年电视讲话
  
  总书记视察我等离子体所的指示


 
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