核聚變發(fā)電相關(guān)新聞

新華網(wǎng)合肥9月28日電（記者喻菲 蔡敏 程士華）世界領(lǐng)先的中國新一代熱核聚變裝置EAST28日首次成功完成了放電實驗，獲得電流200千安、時間接近3秒的高溫等離子體放電。

負責(zé)這一項目的中國科學(xué)院等離子體所所長李建剛研究員在接受新華社記者采訪時說，此次實驗實現(xiàn)了裝置內(nèi)部1億度高溫，等離子體建立、圓截面放電等各階段的物理實驗，達到了預(yù)期效果。

工藝鑒定組專家、中科院基礎(chǔ)科學(xué)研究局金鐸研究員在實驗后的新聞發(fā)布會上宣布，EAST通過國家“九五”大科學(xué)工程工藝鑒定。 參與EAST研究合作的美國通用原子能公司蓋瑞·杰克遜博士說：“EAST成為世界上第一個建成并真正運行的全超導(dǎo)非圓截面核聚變實驗裝置，它將在未來10年內(nèi)保持世界先進水平?！?

據(jù)了解，EAST裝置是中國耗時8年、耗資2億元人民幣自主設(shè)計、自主建造而成的。

記者在實驗控制室看到，這個近似圓柱形的大型物體由特種無磁不銹鋼建成，高約12米、直徑約5米，據(jù)介紹其總重量達400噸。

李建剛研究員說，與國際同類實驗裝置相比，EAST是使用資金最少、建設(shè)速度最快、投入運行最早、運行后獲得等離子放電最快的先進核聚變實驗裝置。

“這意味著人類在核聚能研究利用領(lǐng)域取得重大進步，也標志著中國在這一領(lǐng)域進入國際先進水平”，李建剛說。

人們認識熱核聚變是從氫彈爆炸開始的。氫彈爆炸時釋放出極大的能量，給人類帶來的是災(zāi)難。而科學(xué)家們卻希望發(fā)明一種裝置，可以有效地控制“氫彈爆炸”的過程，讓能量持續(xù)穩(wěn)定的輸出，以解決人類面臨的能源短缺危機。

美、法等國在20世紀80年代中期發(fā)起了耗資46億歐元的國際熱核實驗反應(yīng)堆（ITER）計劃，旨在建立世界上第一個受控?zé)岷司圩儗嶒灧磻?yīng)堆，為人類輸送巨大的清潔能量。這一過程與太陽產(chǎn)生能量的過程類似，因此受控?zé)岷司圩儗嶒炑b置也被俗稱為“人造太陽”。

中國于2003年加入ITER計劃。位于安徽合肥的中科院等離子體所是這個國際科技合作計劃的國內(nèi)主要承擔(dān)單位，其研究建設(shè)的EAST裝置穩(wěn)定放電能力為創(chuàng)記錄的1000秒，超過世界上所有正在建設(shè)的同類裝置。

EAST大科學(xué)工程總經(jīng)理萬元熙教授說，與ITER相比，EAST在規(guī)模上小很多，但兩者都是全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克，即兩者的等離子體位形及主要的工程技術(shù)基礎(chǔ)是相似的，而EAST至少比ITER早投入實驗運行10至15年。因此，無論從人才培養(yǎng)和奠定工程技術(shù)及物理基礎(chǔ)的角度上說，EAST都將為ITER計劃做出重要的、實質(zhì)性的貢獻，并進而為人類開發(fā)和最終使用核聚變能做出重要貢獻。

不過，萬元熙研究員說，雖然“人造太陽”的奇觀在實驗室中初現(xiàn)，但離真正的商業(yè)運行還有相當(dāng)長的距離，它所發(fā)出的電能在短時間內(nèi)還不可能進入人們的家中。但他預(yù)測，根據(jù)目前世界各國的研究狀況，這一夢想最快有可能在2040－2060年后實現(xiàn)。

萬元熙說，未來的穩(wěn)態(tài)運行的熱核聚堆用于商業(yè)運行后，所產(chǎn)生的能量夠人類用數(shù)億年乃至數(shù)十億年。從長遠來看，核能將是繼石油、煤和天然氣之后的主要能源，人類將從“石油文明”走向“核能文明”。

所需解決“自持燃燒”及“穩(wěn)態(tài)運行”的關(guān)鍵的物理和技術(shù)問題列舉如下 :

自持燃燒的關(guān)鍵問題

（1）氘氚等離子體的特征

（2）α粒子的約束

（3）α粒子的 “排灰”

（4）遙控操作技術(shù)

（5）α粒子驅(qū)動的不穩(wěn)定性研究

（6）自持燃燒的剖面控制

（7）高增益的燃燒控制

穩(wěn)態(tài)運行的關(guān)鍵物理和技術(shù)問題

（1）高自舉電流份額

（2）穩(wěn)態(tài)運行的磁鐵

（3）穩(wěn)態(tài)的電流驅(qū)動

（4）氚工藝

（5）長于小時計的放電脈沖時間

（6）解決等離子體的“大破裂”

（7）包層工程

（8）低 “活化”材料

（9）氚“自持”

（10）多于月計的運行時間

（11）電功率輸出

只有在此基礎(chǔ)上再發(fā)展實驗堆和商用堆原型，才能說“商業(yè)化”。若以一代裝置需10余年計，這三代就需40到50年，所以說聚變商用化（托卡馬克途徑）大約在2050年后實現(xiàn)不是沒有根據(jù)的。因此，聚變能的應(yīng)用是“任重而道遠”。有人說裂變能的利用，從開始實現(xiàn)“鏈式反應(yīng)”（1943年）到形成一代“能源”（1970年）不過20余年，只因“三里島”和“切爾諾貝利”兩次核事故才使裂變能源的發(fā)展停頓下來。而對聚變能的發(fā)展來說，已研究了50年，預(yù)期還要50年才能廣泛應(yīng)用，原因何在？現(xiàn)在能回答的是: ①對等離子體了解還是初步；②支持磁約束的各種技術(shù)（超導(dǎo)、低溫、超高真空、微波、材料等）非常復(fù)雜，因為氘氚反應(yīng)要產(chǎn)生14MeV的強中子輻射，而且還要把上億度高溫的等離子體維持相當(dāng)長的時間，這對人類現(xiàn)有的技術(shù)積累，提出了挑戰(zhàn)；③全世界對發(fā)展巨變還沒有形成一致的時間表，很難集中人力、物力和財力。

核聚變發(fā)電優(yōu)點

（1）反應(yīng)放能效率極高 。（注：放能效率指單位質(zhì)量的燃料所能產(chǎn)出的能量）

聚變反應(yīng)將質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量，根據(jù)愛因斯坦著名的質(zhì)能方程E=mc2可知很小的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為巨大的能量，所以聚變反應(yīng)的放能效率極高。

（2） 不產(chǎn)生核裂變所出現(xiàn)的長期和高水平的核輻射，不產(chǎn)生核廢料；

反應(yīng)物及產(chǎn)物的放射性

作為反應(yīng)物的氘、鋰和作為反應(yīng)產(chǎn)物的氦4He都是沒有放射性的。而反應(yīng)物氚是有放射性的，但它的半衰期相對而言很短。

氚對人體的危害主要是吸入人體后的內(nèi)輻照。氚的半衰期為12.3年的β-輻射，每公斤氚的放射性為9.7×106居里，平均輻射能量為5.7keV。

聚變堆中氚的釋放途徑有：事故釋放；維修操作和運行中的泄漏；由于氚通過管壁和容器的滲透力很強，可引起氚的漏失。

若采用三級大氣氚控制，從堆大廳釋放到環(huán)境中的氚可控制到小于1居里/天。概率分析結(jié)果表明，若假象事故態(tài)時釋放到堆大廳的氚為10×106居里。在FEB和ITER中的氚均為3kg左右，在停堆時刻，包層中氚的總放射性為3.3×107居里。

（3）原料豐富且分布廣泛

聚變發(fā)電所需要的直接燃料是氘和氚。1g的氘將產(chǎn)生3×10¹¹J的電能，所以要提供當(dāng)前世界上所有的能量消耗（相當(dāng)于每年3×10¹²億J）將需要每年1000t的氘。氘是很容易獲得的，因為每6700份水中就有一份是氘。如果考慮到所有的海水，則有總量超過10¹⁵t的氘，足可以近乎于無限地提供我們所需要的能量。氘可以采用電解水的方法直接從水中提取，成本很低。

然而氚在地球上并不天然存在，因為它是半衰期為12.3年的放射物。所以作為一種燃料，氚只能通過人工制造得到。最方便的產(chǎn)氚方式是中子和鋰的反應(yīng)。目前，有足夠的鋰可以至少維持幾萬年。

所以，聚變?nèi)剂媳仨毜脑牧箱嚭退膬α肯喈?dāng)豐富，而且這些原材料分布廣泛，任何一個國家不可能壟斷市場。

（4）不存在對石化燃料的依賴；

聚變發(fā)電站的基本原理是利用氘氚發(fā)生聚變反應(yīng)來獲取能量，并使用蒸汽輪機將其轉(zhuǎn)化為電能。反應(yīng)的原料是氘、氚和用于氚增值的金屬鋰，擺脫了對石化燃料的依賴。反應(yīng)所產(chǎn)生的能量一部分用于維持聚變反應(yīng)持續(xù)進行，剩下的用于發(fā)電。所以除了最初啟動聚變反應(yīng)需要消耗額外的能量，接下來不再需要對其提供能量。

（5）基本不污染環(huán)境；

由聚變發(fā)電站原理可以知道聚變發(fā)電不會產(chǎn)生污染大氣的氣體，它的產(chǎn)物是對環(huán)境無害的氦氣；另外如上所討論，聚變電站產(chǎn)生的放射性物質(zhì)較裂變電站而言很少，而且這些放射性產(chǎn)物的半衰期也是相當(dāng)短的。

（5）無核事故風(fēng)險。

聚變電站是固有安全的；它不會爆炸或脫離控制，不像裂變電站那樣包含足夠運行很多年大量鈾或钚燃料，聚變電站只含有非常少量的氘和氚燃料。通常只有1克——只夠維持幾秒的反應(yīng)。如果燃料不連續(xù)更換，聚變反應(yīng)將會終止。

核聚變發(fā)電缺點

（1）實現(xiàn)太難

裂變能的利用，從開始實現(xiàn)“鏈式反應(yīng)”（1943年）到形成一代“能源”（1970年）不過20余年，只因“三里島”和“切爾諾貝利”兩次核事故才使裂變能源的發(fā)展停頓下來。而對聚變能的發(fā)展來說，已研究了50年，預(yù)期還要50年才能廣泛應(yīng)用，原因何在？現(xiàn)在能回答的是: ①對等離子體了解還是初步；②支持磁約束的各種技術(shù)（超導(dǎo)、低溫、超高真空、微波、材料等）非常復(fù)雜，因為氘氚反應(yīng)要產(chǎn)生14MeV的強中子輻射，而且還要把上億度高溫的等離子體維持相當(dāng)長的時間，這對人類現(xiàn)有的技術(shù)積累，提出了挑戰(zhàn)；③全世界對發(fā)展核聚變還沒有形成一致的時間表，很難集中人力、物力和財力。

（2）第一代核反應(yīng)，即氘氚反應(yīng)有中子產(chǎn)生

實現(xiàn)受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)應(yīng)滿足兩個苛刻條件 ：

核聚變發(fā)電極高的溫度

要使兩個原子核發(fā)生聚變反應(yīng)，必須使它們彼此靠得足夠近，達到原子核內(nèi)核子與核子之間核力的作用距離，此時核力才能將它們“粘合”成整體形成新的原子核。由于原子核都帶正電，當(dāng)兩個原子核靠得越來越近時，它們之間的靜電斥力也越來越大。靜電斥力也稱靜電勢壘，它像一座高山一樣將兩個輕核隔開。據(jù)實驗資料估計，要使兩個氘核相遇，它們的相對速度必須大于每秒1000公里。此時單個氘核具有巨大的動能，對于一團氘核整體而言，則具有極高的溫度。兩個氘核產(chǎn)生聚變反應(yīng)時，溫度必須高達一億度。氘核與氚核間發(fā)生聚變反應(yīng)時，溫度也須達到五千萬度以上。這種在極高溫度下才能發(fā)生的聚變核反應(yīng)也稱熱核反應(yīng)。在如此高溫下，物質(zhì)已全部電離，形成高溫等離子體。

核聚變發(fā)電充分的約束

充分的約束，指將高溫等離子體維持相對足夠長的時間，以便充分地發(fā)生聚變反應(yīng)，釋放出足夠多的能量，使聚變反應(yīng)釋放的能量大于產(chǎn)生和加熱等離子體本身所需的能量及其在此過程中損失的能量。這樣，利用聚變反應(yīng)釋放出的能量就可以維持所需的極高溫度，無需再從外界吸收能量，聚變反應(yīng)就能夠自持進行。表征這個概念的科學(xué)術(shù)語叫做“聚變點火”。要實現(xiàn)聚變點火，必須達到一定的約束時間。約束時間跟密度相關(guān)，密度大，單位時間里參加反應(yīng)的原子核較多，釋放的能量也較多，必要的約束時間相應(yīng)較短。反之，約束時間必須較長。英國科學(xué)家勞遜在五十年代詳細研究了實現(xiàn)聚變點火必須滿足的條件（點火條件也稱勞遜條件或勞遜判據(jù)），它是溫度T和約束時間τ跟密度n乘積的函數(shù)。從對高溫粒子的約束方式看目前有磁約束和慣性約束兩種。

核聚變，又稱核融合、融合反應(yīng)或聚變反應(yīng)，是將兩個較輕的核結(jié)合而形成一個較重的核和一個很輕的核（或粒子）的一種核反應(yīng)形式。兩個較輕的核在融合過程中產(chǎn)生質(zhì)量虧損而釋放出巨大的能量，兩個輕核在發(fā)生聚變時因它們都帶正電荷而彼此排斥，然而兩個能量足夠高的核迎面相遇，它們就能相當(dāng)緊密地聚集在一起，以致核力能夠克服庫侖斥力而發(fā)生核反應(yīng)，這個反應(yīng)叫做核聚變。

聚變是輕核（主要是氫的同位素氘和氚）聚合成較重的原子核，同時釋放出巨大能量的過程，太陽發(fā)光發(fā)熱和氫彈爆炸就是這樣的原理。聚變能的特點是：聚變反應(yīng)釋放出大量的能量（一升海水中的氘通過聚變反應(yīng)可釋放出相當(dāng)于300升汽油燃燒的能量）；聚變資源豐富（地球上海水中所含的氘，如果用于氘氘聚變反應(yīng)可供人類用上億年，而用于產(chǎn)生氚的鋰也有比較豐富的儲量）；聚變的反應(yīng)產(chǎn)物是比較穩(wěn)定的氦。由于其固有的安全性、環(huán)境的優(yōu)越性、燃料資源的豐富性，聚變能被認為是人類最理想的潔凈能源之一。

早在上世紀五十年代初人類就實現(xiàn)了聚變核反應(yīng)，這就是氫彈的爆炸。它是依靠原子彈爆炸時形成的高溫高壓，使得熱核燃料氘氚發(fā)生聚變反應(yīng)，釋放巨大的能量，形成強大的破壞力。但是氫彈瞬間的猛烈爆炸是無法控制的。要把聚變時釋放出的巨大能量用于社會生產(chǎn)和人類生活，必須對劇烈的聚變核反應(yīng)加以控制。因而實現(xiàn)受控?zé)岷司圩円恢笔强茖W(xué)家們的夢想。

核聚變反應(yīng)堆是一種滿足核聚變條件從而利用其能量的裝置。從目前看實現(xiàn)核聚變有2種方法,一種是使用托卡馬克裝置實現(xiàn),托卡馬克是一環(huán)形裝置,通過約束電磁波驅(qū)動,創(chuàng)造氛、氖實現(xiàn)聚變的環(huán)境和超高溫,實現(xiàn)對聚變反應(yīng)的控制;另一種方式是通過高能激光的方式實現(xiàn)。第一種方式已于20世紀90年代初實現(xiàn),目前正在進行工程設(shè)計;第二種方式已接近突破的邊緣。由于核聚變是在極高的溫度下完成的,所以又常稱其為熱核反應(yīng)。以下所討論的均以第一種方式為基礎(chǔ)進行。

KSTAR（Korea Superconducting Tokamak Advanced Research） 是韓國大田研究基地國家聚變研究所的超導(dǎo)托卡馬克核聚變裝置，被稱為“韓國太陽”，它是國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆（ITER）項目的一部分。KSTAR是世界上首一個采用新型超導(dǎo)磁體（Nb3Sn）材料產(chǎn)生磁場的全超導(dǎo)聚變裝置，磁場強度是使用鈮鈦系統(tǒng)核聚變裝置的3倍多。核聚變相比核裂變釋放的能量更大，而且放射性污染幾乎為零，其原料可以直接取于海水，是理想的能源方式。KSTAR的成功為韓國的利用核聚變發(fā)電奠定了基石。韓國計劃在以后30年左右開始利用核聚變發(fā)電。

在2012年，它成功地維持高溫等離子體（約5000萬攝氏度）17秒。

中國正在加大能源結(jié)構(gòu)調(diào)整力度。積極發(fā)展核電、風(fēng)電、水電等清潔優(yōu)質(zhì)能源已刻不容緩。中國能源結(jié)構(gòu)仍以煤炭為主體，清潔優(yōu)質(zhì)能源的比重偏低 。

2014年中國運行核電機組22臺，裝機容量達2029.658萬千瓦，核電發(fā)電量僅占全國發(fā)電量2.1%。在建的核電機組有26臺，約2800萬千瓦。預(yù)計到2020年前，中國在運核電裝機達到5800萬千瓦，在建3000萬千瓦。到2050年，根據(jù)不同部門的估算，中國核電裝機容量可以分為高中低三種方案：高方案為3.6億千瓦（約占中國電力總裝機容量的30%），中方案為2.4億千瓦（約占中國電力總裝機容量的20%），低方案為1.2億千瓦（約占中國電力總裝機容量的10%）。

中國國家發(fā)展改革委員會正在制定中國核電發(fā)展民用工業(yè)規(guī)劃，準備到2020年中國電力總裝機容量預(yù)計為9億千瓦時，核電的比重將占電力總?cè)萘康?%，即是中國核電在2020年時將為3600-4000萬千瓦。也就是說，到2020年中國將建成40座相當(dāng)于大亞灣那樣的百萬千瓦級的核電站。

從核電發(fā)展總趨勢來看，中國核電發(fā)展的技術(shù)路線和戰(zhàn)略路線早已明確并正在執(zhí)行，當(dāng)前發(fā)展壓水堆，中期發(fā)展快中子堆，遠期發(fā)展聚變堆。具體地說就是，發(fā)展熱中子反應(yīng)堆核電站；為了充分利用鈾資源，采用鈾钚循環(huán)的技術(shù)路線，中期發(fā)展快中子增殖反應(yīng)堆核電站；遠期發(fā)展聚變堆核電站，從而基本上“永遠”解決能源需求的矛盾。2100433B

核聚變是解決未來能源的主要選擇。高溫等離子體研究以實現(xiàn)核聚變?yōu)槟康摹Ｍ锌R克類型核聚變研究是當(dāng)今世界上主要聚變研究途徑之一，也是本所主要學(xué)科方向。本所先后建成了HT-6B、HT-6M、HT-7和EAST等多套托卡馬克核聚變實驗裝置及其研究系統(tǒng)，參與了國際熱核聚變試驗堆（ITER）計劃與研究。計劃未來在中國建造穩(wěn)態(tài)燃燒托卡馬克實驗堆和中國磁約束聚變示范堆，進而實現(xiàn)純聚變能源的商用化。

在建設(shè)托卡馬克和開展等離子體物理實驗研究過程中，本所發(fā)展了保障托卡馬克運行的診斷、電源、微波、低溫、超導(dǎo)、真空、數(shù)據(jù)采集處理、材料、安全與環(huán)保、電物理及精密儀器加工等一系列高新技術(shù)，開展了反應(yīng)堆新概念設(shè)計和相關(guān)技術(shù)研究。在高功率電源、大型低溫制冷、超導(dǎo)儲能、高溫超導(dǎo)、電物理裝備研制等方面的技術(shù)已應(yīng)用于國民經(jīng)濟，其中部分技術(shù)已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

大力核聚變鋰電池又叫原子電池，核電池，氚電池和放射性同位素發(fā)生器的術(shù)語用于描述使用能源的一種裝置，它從一個放射性的同位素，以產(chǎn)生電力的衰減。核反應(yīng)堆一樣，它們產(chǎn)生的電力，原子能，但不同之處在于，他們不使用鏈式反應(yīng)。與其他電池相比，它們是非常昂貴的，但有極長的壽命和高能量密度，因此它們被主要用于無人值守操作的設(shè)備，必須很長一段時間，如航天器，心臟起搏器，水下系統(tǒng)和自動化作為動力源在世界偏遠地區(qū)的科學(xué)考察站。