上海核博會(huì)：什么是核聚變

核聚變是兩個(gè)輕原子核結(jié)合成一個(gè)較重的原子核并釋放出巨大能量的過(guò)程。

核聚變反應(yīng)發(fā)生在一種被稱為等離子體的物質(zhì)狀態(tài)中——一種由正離子和自由移動(dòng)的電子組成的高溫帶電氣體，具有不同于固體、液體或氣體的獨(dú)特性質(zhì)。

太陽(yáng)和其他所有的恒星都是由這種反應(yīng)所驅(qū)動(dòng)的。為了在太陽(yáng)中實(shí)現(xiàn)聚變，原子核需要在大約1000萬(wàn)攝氏度的極高溫度下相互碰撞。高溫為它們提供了足夠的能量，以克服相互之間的電排斥力。一旦原子核進(jìn)入彼此非常接近的范圍，它們之間的核吸引力將超過(guò)電排斥力，從而使它們能夠?qū)崿F(xiàn)聚變。要做到這一點(diǎn)，眾多原子核必須被約束在一個(gè)小空間內(nèi)，以增加碰撞的機(jī)會(huì)。在太陽(yáng)中，其巨大的引力所產(chǎn)生的極端壓力為核聚變創(chuàng)造了條件。

為什么科學(xué)家們要研究核聚變能源？

自從20世紀(jì)30年代我們理解核聚變理論以來(lái)，科學(xué)家，以及越來(lái)越多的工程師，一直在尋求重新創(chuàng)造和利用核聚變的機(jī)會(huì)。這是因?yàn)槿绻司圩兡軌蛞怨I(yè)規(guī)模在地球上復(fù)制，它可以提供幾乎無(wú)限的清潔、安全和負(fù)擔(dān)得起的能源，以滿足世界的需求。

核聚變每公斤燃料可以產(chǎn)生比核裂變（用于核電廠）多四倍的能量，比燃燒石油或煤炭多近四百萬(wàn)倍的能量。

大多數(shù)正在開發(fā)的聚變反應(yīng)堆概念將使用氘和氚的混合物——含有額外中子的氫原子。理論上，只要有幾克這些反應(yīng)物，就可以產(chǎn)生一萬(wàn)億焦耳的能量，這大約是一個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家里一個(gè)人60年所需的能量。

聚變?nèi)剂虾茇S富，也很容易獲得：氘可以從海水中廉價(jià)提取，而氚則可以利用聚變產(chǎn)生的中子與豐富的天然鋰反應(yīng)產(chǎn)生。這些燃料供應(yīng)可持續(xù)數(shù)百萬(wàn)年之久。未來(lái)的聚變反應(yīng)堆在本質(zhì)上也是安全的，不會(huì)產(chǎn)生高放射性、長(zhǎng)衰變期的核廢物。此外，由于核聚變過(guò)程難以啟動(dòng)和維持，因此不存在失控反應(yīng)和熔毀的風(fēng)險(xiǎn)；核聚變只能在嚴(yán)格的操作條件下發(fā)生，超出這個(gè)條件（例如在事故或系統(tǒng)故障的情況下），等離子體將自然終止，很快失去其能量，并在對(duì)反應(yīng)堆造成任何持續(xù)損害之前熄滅。

重要的是，核聚變，就像裂變一樣，不會(huì)向大氣層排放二氧化碳或其他溫室氣體，因此，從本世紀(jì)下半葉起，它可能成為低碳電力的長(zhǎng)期來(lái)源。

比太陽(yáng)還熱

太陽(yáng)具有巨大引力，自然會(huì)誘發(fā)核聚變，但如果沒(méi)有這種引力，就需要比太陽(yáng)更高的溫度才能發(fā)生反應(yīng)。在地球上，我們需要超過(guò)1億攝氏度的溫度和強(qiáng)大的壓力，以使氘和氚發(fā)生聚變，同時(shí)還需要充分的約束，使等離子體和核聚變反應(yīng)維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間，使產(chǎn)生的能量大于啟動(dòng)反應(yīng)所需的能量。

雖然目前在實(shí)驗(yàn)中通常已實(shí)現(xiàn)非常接近核聚變反應(yīng)堆所需的條件，但仍需要改進(jìn)約束性能和等離子體的穩(wěn)定性，以維持反應(yīng)并持續(xù)產(chǎn)生能量。來(lái)自世界各地的科學(xué)家和工程師繼續(xù)開發(fā)和測(cè)試新材料，設(shè)計(jì)新技術(shù)，以獲得凈核聚變能。

我們?cè)诤司圩兗夹g(shù)發(fā)展方面處于什么位置？

50多個(gè)國(guó)家在開展核聚變和等離子體物理研究，盡管迄今為止，產(chǎn)生的能量還沒(méi)有超過(guò)啟動(dòng)反應(yīng)過(guò)程所需的能量，但許多實(shí)驗(yàn)已成功實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)。專家們已經(jīng)提出了可以使核聚變發(fā)生的不同設(shè)計(jì)和基于磁鐵的機(jī)器，如仿星器和托卡馬克，但也有依靠激光、線性裝置和先進(jìn)燃料的方法。

核聚變能源需要多長(zhǎng)時(shí)間才能成功推廣，這將取決于通過(guò)全球伙伴關(guān)系和合作調(diào)動(dòng)資源，以及該行業(yè)能夠以多快的速度開發(fā)、驗(yàn)證和鑒定新興核聚變技術(shù)。另一個(gè)重要問(wèn)題是，同時(shí)開發(fā)必要的核基礎(chǔ)設(shè)施，如與實(shí)現(xiàn)這一未來(lái)能源有關(guān)的要求、標(biāo)準(zhǔn)和良好實(shí)踐。

經(jīng)過(guò)10年的組件設(shè)計(jì)、場(chǎng)地準(zhǔn)備和全球制造，世界上最大的國(guó)際聚變?cè)O(shè)施——國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）的組裝工作于2020年在法國(guó)開始。ITER是一個(gè)國(guó)際項(xiàng)目，目的是論證核聚變能生產(chǎn)的科學(xué)和技術(shù)可行性，并為未來(lái)的發(fā)電示范聚變發(fā)電廠提供技術(shù)和概念，稱為核聚變示范電廠（或稱DEMOs）。ITER將在本十年的后半期開始進(jìn)行首次實(shí)驗(yàn)，全功率實(shí)驗(yàn)計(jì)劃于2036年開始。

雖然不同國(guó)家的DEMO時(shí)間表各不相同，但專家們的共識(shí)是，可在2050年前建成并運(yùn)行生產(chǎn)電力的核聚變電廠。與此同時(shí)，許多私營(yíng)商業(yè)企業(yè)也在開發(fā)核聚變電廠概念方面取得了進(jìn)展，借鑒了多年來(lái)公共資助的研究和開發(fā)所產(chǎn)生的技術(shù)，并提出更快實(shí)現(xiàn)核聚變發(fā)電。

中國(guó)的聚變實(shí)驗(yàn)

除了作為ITER項(xiàng)目的一部分，中國(guó)還擁有并運(yùn)行著許多實(shí)驗(yàn)性核聚變裝置，包括高性能托卡馬克，如全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（簡(jiǎn)稱EAST）——能夠長(zhǎng)時(shí)間（>16分鐘）運(yùn)行高溫等離子體，以及中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M裝置（簡(jiǎn)稱HL-2M）——能夠產(chǎn)生高密度和高壓的等離子體。這些都是未來(lái)核聚變電廠不可缺少的特征。

國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)的作用是什么？

國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（原子能機(jī)構(gòu)）長(zhǎng)期以來(lái)一直是國(guó)際核聚變研究和發(fā)展的核心，并于近期開始支持早期技術(shù)開發(fā)和部署。

• 原子能機(jī)構(gòu)于1960年創(chuàng)辦了《核聚變》雜志，旨在交流有關(guān)核聚變進(jìn)展的信息。該雜志現(xiàn)在被認(rèn)為是聚變領(lǐng)域的主要期刊。原子能機(jī)構(gòu)還定期出版《技術(shù)文件》和關(guān)于聚變的宣傳和教育材料。

• 第一屆國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)聚變能會(huì)議于1961年召開，自1974年以來(lái)，原子能機(jī)構(gòu)每?jī)赡暾匍_一次會(huì)議，以促進(jìn)對(duì)該領(lǐng)域發(fā)展和成就的討論。

• 自1971年以來(lái)，原子能機(jī)構(gòu)國(guó)際聚變研究委員會(huì)一直在促進(jìn)核聚變研究領(lǐng)域的國(guó)際合作。

• 《ITER協(xié)定》由原子能機(jī)構(gòu)總干事保存。原子能機(jī)構(gòu)和ITER組織之間的合作通過(guò)2008年的一項(xiàng)合作協(xié)議正式確立，并在2019年得到擴(kuò)大和深化。

• 原子能機(jī)構(gòu)促進(jìn)世界各地DEMO項(xiàng)目活動(dòng)的國(guó)際合作與協(xié)調(diào)。

• 原子能機(jī)構(gòu)開展了一系列技術(shù)會(huì)議，協(xié)調(diào)了與聚變科學(xué)和技術(shù)開發(fā)和部署相關(guān)主題的研究活動(dòng)，并組織和支持了有關(guān)聚變的教育和培訓(xùn)活動(dòng)。

• 原子能機(jī)構(gòu)維護(hù)著聚變能源研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)，以及聚變裝置信息系統(tǒng)（FusDIS）,該系統(tǒng)匯集了世界各地正在運(yùn)行、正在建設(shè)或計(jì)劃中的聚變裝置的信息。

• 原子能機(jī)構(gòu)正在開展一個(gè)項(xiàng)目，研究核裂變和核聚變能源生產(chǎn)之間的技術(shù)開發(fā)協(xié)同作用，以及核聚變?cè)O(shè)施的長(zhǎng)期可持續(xù)性（包括放射性廢物的處理）和法律及制度問(wèn)題。

• 原子能機(jī)構(gòu)正在調(diào)查涵蓋核聚變?cè)O(shè)施整個(gè)生命周期的關(guān)鍵安全方面，其中需要導(dǎo)則和具體的參考文件。

• 原子能機(jī)構(gòu)正在支持通用聚變示范工廠的預(yù)可行性研究。

來(lái)源：IAEA