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第86章 聚变原理

第八章第十节聚变原理

当两个轻原子核结合成一个较重的原子核时,也会释放能量。我们称这种结合为聚变,

放出的能量称为聚变能。在人工控制下的聚变为受控聚变;在受控聚变的情况下释放能量的

装置,称为聚变反应堆或聚变堆。

在氢的同位素中,氘和氚之间的聚变最容易,所以人们一般将氘和氚称为聚变核燃料。

 聚变能源与裂变能源

铀-235等重原子核裂变时,会产生200多种放射性同位素。虽然大部分同位素半衰期短

,可以在很短时间内衰变,但仍有一些,主要是锕系元素的半衰期长,会对人类造成几百万

年的危害。除了放射性外,裂变堆的核燃料及裂变产物如钚等,还有很强的化学毒性。我们

说裂变堆很清洁,是由于它层层设防,对放射性物质采取了严格的隔离措施。而氘、氚等聚

变反应中产生的氦,是没有放射性的。如果我们不在聚变堆中加入铀、钍等裂变材料,那么

聚变堆产生的放射性废物,主要是泄漏的氚,以及聚变时释放的中子、质子。聚变堆产生的

放射性,比裂变堆少得多。聚变堆由于活化产生的放射性废物主要是固体。而裂变堆产生的

放射性废物,加上裂变堆核燃料后处理过程中生成的废物,不少是气体和液体。气体或液体

放射性废物的处理,比固体困难些。

裂变堆如果冷却剂的循环遭到破坏,即使反应堆停堆,由于放射性衰变的余热得不到冷却,

堆芯温度还会上升,使燃料元件烧毁,造成放射性物质外逸。美国三里岛核电站的事故,就

是这么造成的。聚变堆没有余热,即使冷却剂丧失,也不可能出现三里岛那样的事故。

目前主要有磁约束、惯性约束和μ介子催化等途径可以实现聚变。经过半个多世纪的努力,

虽然有些途径已显示出胜利的曙光,但要发展到实用阶段,还有一段艰难的道路。

受控聚变的研究之所以如此艰难,一个根本的原因,是由于所有原子核都带正电,核力是一

种短程力,2个带正电的原子核互相接近时,它们之间的静电斥力也越来越大。只有当

它们之间互相接近的距离达到大约万亿分之三毫米时,核力才能起作用。这时由于核力大于

静电斥力,2个原子核才能聚合到一起,放出巨大的能量。由于2个原子核聚合前首先要克服

强大的静电斥力,所以在地球上现有的条件下,很难发生聚变。为了实现铀-235、钚-239

等的裂变,不需要入射中子及靶原子核具有任何动能;而为了使2个原子核聚变,首先必须

使两个原子核的一方或双方有足够的能量,去克服彼此之间的静电斥力。这就是全部症结之

所在。

 聚变能量释放的因素

当等离子体达到一定的温度,由于原子核运动速度的增加,会使它们在相互碰撞时,克服彼

此间的静电斥力而聚变。很显然,对于在一定的温度条件下,在一定的时间内,原子核之间

互相碰撞的次数,与等离子体中原子核的密度成正比;而在一定密度的情况下,原子核之间

互相碰撞的次数,与等离子体中保持这种密度的时间,即约束时间成正比。因此聚变反应中

能量的释放,与等离子体的温度,以及原子核密度和约束时间的乘积有关。

20世纪50年代末以来,在科学家们提出磁约束的概念后,由于氢弹的迅速成功及聚变研究的

顺利进展,使不少国家的核科学家,对受控聚变抱过分乐观的态度。对受控聚变及快堆

的过分乐观的估计,曾使英、前苏联、美等国的民用核动力计划,受到一定影响;使这些国

家将未来能源的希望,过早地寄托在科学家的设想上。

这种过分的乐观,很快被一种悲观的情绪代替。科学家们发现,约束等离子体的磁场

,虽然不怕高温烈火烧,但很不稳定。磁场和等离子体之间的边界会逐渐模糊,等离子体会

从磁笼里钻出去,而且约束等离子体的磁场一旦出现变形,有一种正反馈作用使这种变形

加剧,造成磁笼断开或等离子体碰到聚变反应室的金属内壁上。另外,等离子体在加热过程

中能量也不断损失。由于粒子间的碰撞,等离子体的粒子会一步一步地横越磁力线,携

带能量逃逸;同时,高温等离子体会辐射出电磁波而损失能量。当等离子体含有质子数高的

杂质时,这种辐射损失会急剧增加。根据不同的辐射机理,辐射损失分别与杂质原子核内质

子数的平方、四次方、六次方成正比。

经过几十年的努力,人们才正确了解影响磁约束及造成能量损失的各种机理,摸索出克

服这种不稳定性及能量损失的对策。20世纪60年代末期以来,科学家在克服磁场不稳定性及

能量损失方面所取得的进展,使人们对受控聚变的信心增强了。

 聚爆理论

1972年,美国学者尼库尔斯等人公布了聚爆理论。根据这一理论,激光除了使靶丸加热外

,还使靶芯压缩,可以成千倍地增加靶芯密度;由于压缩引起的密度的提高,为使聚变达到

可以实用的规模,只需几万焦耳以上的能量就够了。聚爆理论增强了科学家们的信心,吹响

了向激光聚变点火进军的号角。从此以后,以点火为目标的激光聚变研究就开展了。

根据聚爆理论,为使激光聚变达到点火条件,并产生有益的能量输出,除了要提高激光

的能量外,还要求精确控制激光的照射方式。在激光照射的开始阶段,要求激光的功率小一

些,以便靶丸表面逐渐气化,形成一层与地球的大气层类似的冕区,使激光的能量能够均匀

地传输到靶丸的表面。然后再通过一次比一次强的激光照射,产生一个比一个快的聚心冲击

波,并使这些冲击波能同时达到点火所要求的靶丸半径处。因此在一个1毫米左右直径的氘

、氚小丸上,在以十亿分之几秒计的过程中,一共包括冕区形成、表层喷射、多次聚心压缩

和芯部点火4个阶段。这4个阶段要求在时间上有精确的衔接,在空间上有精确的同步,这需

要何等高超的技术和工艺啊!

经过10多年的努力,激光聚变已取得了明显的进展。1987年,我国上海光学精密机械研究所

,建成能量1 000焦的“神光”激光装置。如果这1 000焦的能量是1秒内产生的,则只有1 0

00瓦的功率。但神光装置的发光时间不到十亿分之一秒,因此功率达十亿千瓦以上,比198

9年中国全部发电厂的总功率大9倍以上。利用它轰击01毫米直径的氘氚小球,小球的温度

可达1 000万℃以上,并形成1 000万个大气压的向心压力,使小球产生了聚变反应。

在此之前,1980年,美国在“希瓦”激光聚变装置上,已使靶材压缩100倍,聚变反应释放

的能量,超过了输入的激光的能量的1%,取得了令人鼓舞的成绩。美国为实现激光聚变点火

而设计的“诺瓦”装置,能量可达10万焦,1979年5月14日开始建造,1986年1月建成并开始

调试和实验。

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