聚变能的开发

对于核裂变的研究，我们已取得很大的进步了，核裂变能的开发也取得很大的成绩。然而对核聚变的研究和开发只是取得了初步的发展。其实，在宇宙中，许多恒星都能产生聚变能，以发出光和热。我们人类也一直在使用聚变能——太阳能。

实现受控核聚变反应会为人类提供取之不尽、用之不竭的能量。核聚变的基本材料氘在地球上多达40万亿吨，如果将它全部用来进行核聚变反应，所产生的能量够人类使用的。因为实现核聚变需要高温，一旦安全出了问题，高温不能维持，反应就自动终止了。此外，聚变反应产生的放射性废料极少，这也使人们从心理上获得了很大的安全性。

太阳的能量

太阳能一直为我们人类享用，这个大炉子到底在烧些什么呢?

19世纪，热力学获得很大的发展，人们发现了能量守恒和转化原理。一些人会问，太阳能是什么能量转化而来的呢?

1868年，瑞典阿普沙拉大学的物理学教授埃格斯特朗从气体放电的光谱中找到了氢的谱线，并与太阳光谱作了比较，确认太阳上存在氢。1868年8月18日，在印度有一次日全食，法国天文学家詹森前去观测，在观测太阳的日珥时，他发现了一条新的谱线。无独有偶，一位名叫洛克的英国天文学家也在这次日食观测中发现了这条新谱线。由于是在太阳上观测到的，它是绝缘尘世的物质，因此人们为它命名为“太阳”——氦。当然，后来在地球上也发现了氦。

太阳上存在氢和氦，但它们在太阳上具有什么作用呢?20世纪30年代，随着核物理的发展，人们对太阳能量的来源有了新的认识。

1930年，英国天文学家爱丁顿认为，太阳的中心具有极高的温度和压力，其中温度高达1500万。在这样的条件下，原子核可以进行地球上无法进行的核反应。

太阳实际上是一个巨大的“原子锅炉”，其中不停地进行核聚变反应。1938年，美籍德国物理学家博特找到氢聚合成氦的几种途径。这些反应不仅适应于太阳，而且适应于其他的恒星。

太阳的聚合结果可大致写成

4H¹─→He⁴+2e⁺

可见4个氢原子核合成1个氦原子核。按照“质量亏损”的说法，在发生聚合反应时会释放巨大的能量。经计算，氦的结合能为28．3兆电子伏，平均每个核子的结合能为7兆电子伏，是铀核的平均结合能(仅为0．84兆电子伏)的8倍多。

聚变反应

对于聚变反应，太阳无时无刻不在进行着，1952年人类也爆炸了氢弹。由于反应的条件中温度是如此之高，也就是说是如此的“热”，所以聚变反应也被称作“热核反应”，而聚变能也被称作“热核能”。

假如在容器中装水，到100℃时水就“开”了。水分子就会以很大的速度运动。如果在其中装热核材料氘和氚，那么:

在室温下，氘和氚混合气体作热运动，平均的飞行速度为2千米/秒。混合气体对器壁的碰撞产生的压强为1个大气压。

温度升高时，氘氚混合气体的热运动会逐渐激烈起来，到1000℃时，氘和氚会被分解为原子气体，压强也会增高。

容器中的温度达到1万℃时，容器中的氘和氚原子的热运动(平均)速度将达到10千米/秒，压强也达到70个大气压。由于碰撞的结果，一小部分电子便脱离核的束缚，而变成自由电子。温度越高，自由电子也就越多。

温度达到10万℃以上，自由电子的热运动平均速度达到2000千米/秒，氘和氚的平均速度则达到30千米/秒。这时的氘和氚原子几乎全部电离，变成自由电子和原子核。容器内的电子气和核子气混合成特殊的气体，使容器内压强达到1500个大气压。这种部分或全部被电离的气体被称作“等离子体”。

温度上升到100万℃时，电子的热运动速度可达6000千米/秒，氘和氚核的速度约为100千米/秒，压强约为15000个大气压。

温度上升到1000万℃，氘和氚核的平均速度到达300千米/秒，等离子体的压强也达1000万个大气压以上。这时部分氘和氚核会相互碰撞发生聚变反应。但此时的反应还不能自持，或者说，聚变反应还未实现“点火”。这就是说，放能的速度在超过辐射能量损失的速度时，聚变反应才能自持下去。这个温度界限叫做“临界点火温度”。

临界点火温度并不是不变的，在人工反应器的中，氘－氚聚变反应的临界点火温度为数千万至1亿℃，氘－氘聚变反应的临界点火温度为1亿至数亿。可见实现这么高的温度，在技术上的困难是很多的。

首先，制造反应器的材料要耐上千万摄氏度的高温。其次，对等离子体完全密封起来也是非常困难的。由于等离子体极不稳定、又极易泄漏，超过一定时间等离子态就泄漏殆尽。这个有限的时间叫做反应器对等离子态的“约束时间”。约束时间就是能维持热核反应的最长时间。为了提高每次点火后的燃烧效率，还必须设法增加粒子的密度。

粒子密度和约束时间有这样的关系，在有限的约束时间内，燃料中核的密度越高，它们相互碰撞的机会越多。同样，在一定的燃料核密度下，约束时间越长，反应就越充分。一般来说，维持聚变反应自持的条件二者的乘积要大于某一常数。对于氘－氚反应，这个常数要大于10¹⁴;对于氘－氘反应，这个常数要大于10¹⁶这个条件叫做“劳森条件”。

根据公式，我们可以作一些简单的计算。对于氘－氚反应，若粒子密度是10¹⁴个粒子/立方厘米，那么约束时间应大于1秒;若粒子密度为10²⁰个粒子/立方厘米，那么约束时间应大于1微秒。

这样看来，实现热核反应点火条件有两个:温度条件和劳森条件。但是现在要实现人工热核反应的确是困难重重。

受控热核反应

要控制聚变反应以获取其中的能量发电，我们还不能像取得裂变能那样自如。原因是在这样高的温度和压强下怎么约束等离子体呢?一者我们没有制作这种容器的材料(这样的高温下材料必熔化)，二者(假如有这样的材料)等离子体与器壁接触会冷却而停止热核反应。为了避免这两种情况，科学家提出了两种方案:磁约束和惯性约束。

磁约束　我们知道，带电粒子在磁场中会受到洛仑兹力，将带电粒子约束在与磁场垂直的方向上。如果这磁场是均匀磁场，洛仑兹力会使带电粒子做圆周运动。具体说来，磁约束的装置有如下几种。

磁镜装置　这是一种圆柱形等离子体容器。在反应室外面绕有螺线管线圈，使磁力线平行于圆柱体。圆柱体两端的磁场较强，中间的磁场较弱。粒子运动到磁场较强的两端会被发射回来，就像光线被平面镜发射回来一样。这就是为什么叫做“磁镜”的原因。又由于圆柱体两端的强磁场能像“塞子”一样把等离子体约束在圆柱体之中，所以也称它为“磁塞”装置。

托卡马克装置

环形磁瓶　这是一种环形的磁瓶装置。这种无头无尾的磁场可以将等离子体约束在其中，并无休止地绕磁力线旋进，进而可以实现比较稳定的约束。这种装置中非常有名的一种是“托卡马克”装置。这是前苏联著名的物理学家伊戈尔·塔姆和“氢弹之父”萨哈罗夫发明的。托卡马克装置是最有希望成功的受控热核装置。

仿星器　这是对环形磁瓶改进后的装置，像一个“∞”形。它的磁场与托卡马克装置相似，形成螺旋形的磁场，可以遏制等离子体的分散。

惯性约束　磁约束是设法延长约束时间。从劳森条件看，还有一个条件是提高等离子体密度。如果使粒子密度达到10²³～10²⁴个粒子/立方厘米，对约束时间就可降到几个毫微秒的要求。

当改变物体运动的状态，惯性就使物体保持这种运动状态。所以，根据劳森条件，在不加任何约束时，利用粒子自身的惯性就可以约束粒子进行热核反应。这就是为什么称作“惯性约束”的原因。

我们知道，氢弹是不可控热核反应的产物，并且它的爆炸当量太大，如果用热核能发电就非常困难了。但是，如果设法大大降低氢弹的爆炸当量，就像汽车的汽缸内的爆炸一样。连续进行热核爆炸，每次爆炸的规模都不大。经计算得知，将核燃料作成直径约1毫米的小球(含有的核燃料只有万分之一克)，这就可以控制它的爆炸当量在几千克梯恩梯的威力之内。如果可以在1毫微秒的时间内向燃料小球(也称“靶丸”)输入几百万焦耳的能量，并全被靶丸吸收，就可使燃料加热到1亿度的高温。这就达到可使热核反应发生的条件了。

谁来加热这些靶丸呢?20世纪60年代，世界上出现了激光装置。激光的能量密度非常高。用于点燃核燃料是非常合适的。所以又将利用激光的“惯性约束核聚变”称作“激光惯性约束核聚变”，简称“激光核聚变”。

除了激光，人们还考虑用高速带电粒子轰击靶丸。就像激光一样，高速带电粒子也必须是高度密集的，以形成强流脉冲粒子束”。要用电子点燃靶丸，电子必须要通过100万到1000万伏的加速电压，束流的功率要达到100万亿瓦以上，电子束流还必须在几十毫微秒的时间内达到靶丸，使供给靶丸的总能量达100百万焦耳以上。

激光核裂变示意图

受控热核反应的进展

由于地球上石化燃料和裂变材料的贮量有限，开发聚变能非常重要，并且是一项十分紧迫的任务。各国科学家都在加紧研究，以期尽快在地球上制造出人类自己的“太阳”。从研究和发展的过程看，驯服和控制住桀骜不驯的聚变反应可不是一件容易的事。但科学家仍取得了很大的进展。

20世纪60年代末，前苏联科学家在T－3装置上首先获得成功，把约1000万℃高温的等离子体约束了几个毫秒。70年代以来，托卡马克装置成为受控聚变反应的主流装置。发达国家投入大量人力和物力进行研究，建造了一些托卡马克装置。目前，世界上有四大托卡马克装置，它们是欧洲共同体JET(150立方米)、日本的JT－60(54立方米)、美国的TFTR(38立方米)和俄罗斯的T－15(23立方米)。这4个国家还进行国际合作，共同设计国际热核试验反应装置ITER，它的环流器直径达8米，预计功率为500兆瓦。

20世纪80年代，科学家在托卡马克装置上取得很大的进展。1986年，美国普林斯顿大学等离子体实验室TFTR装置上实现了对等离子体较长时间的约束，并达到了两亿摄氏度的高温。1991年11月，欧洲国家的科学家在英国牛津创下了最高输出功率为1．7兆瓦，持续时间达1．8秒，核反应温度达两亿摄氏度。1993年12月，美国科学家在普林斯顿的托卡马克装置上实现高温达3～4亿摄氏度，输出功率4兆瓦。1994年5月底，普林斯顿的科学家再次创下新纪录，最高输出功率达9兆瓦，持续时间达0．1秒。1996年，日本科学家在JT－60达到更高的温度纪录约5亿摄氏度。5亿摄氏度，这就是说，它达到的温度是太阳中心温度的25倍。

我国的受控核聚变研究也有40多年的历史了。1984年9月21日，中国自己设计制造的一座受控热核聚变研究实验装置中国环流器一号(HL—1)，在四川省乐山市郊的核工业部西南物理研究所建成和顺利启动。受控热核聚变是世界重大科研课题之一。20世纪60年代后期，国际上出现了“托卡马克”研究热，中国也积极地开始了这方面的研究。核工业部西南物理研究所的科技人员在没有这方面的图纸和技术资料的条件下，经历8年的苦苦攻关，终于研制成功中国环流器一号。“中国环流器一”号是一台中型“托卡马克”装置，大环半径1．02米，有干式长脉冲变压器、环向磁场线圈、内外垂直磁场线圈、内外真空室、超高真空机组和高真空机组，以及主机支架及其驱动机构等六大部件。这套装置顺利启动后，产生了等离子体，取得了预期的调度数据。“中国环流器一”号的研制成功，标志着中国在受控热核聚变科研领域的装置建造和实验手段有了新发展，为今后的物理试验研究打下了良好的基础。

1993年10月，中国科学院等离子体物理研究所在合肥建成大型超导托卡马克装置HT－7，这是发展中国家最先进的装置;1994年10月，我国又在“中国环流器一”号的基础上建成“中国环流器新一”号。中国的核聚变研究技术还在国际合作中取得一些进展，1995年2月，我国为伊朗建成一座HT－6B托卡马克装置。

1964年，激光器问世不久，著名物理学家王淦昌在世界上率先提出激光核聚变的设想。20世纪70年代又在我国进行了首次实验。由于激光核聚变的关键设施是高功率激光器，我国科学家先后研制出“神光一”号、“神光二”号、“神光三”号和“神光四”号。

总的来说，实现受控核聚变还有一段很长的路要走。据乐观的估计，到2040年可能会实现商品化。不过，在地球上建造“太阳”，给世界带来无限的光明还是有希望的，是一定会实现的。