核聚变——消除人类能源危机的济世良方，本文主要内容关键词为：良方论文,危机论文,人类论文,能源论文,核聚变论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、引言
最近的伊拉克战争，伊朗和朝鲜的核危机，世界石油市场油价节节攀升等等，都反映了一个人类需要共同面临的问题——能源危机，人类自1973年以来，共向地球索取了5000亿桶（约合800亿吨）石油，剩下的石油按现有生产水平匡算，还可保证开采44年。天然气也只能持续开采56年，一些国家的煤炭资源已采掘殆尽。矿物能源的使用虽然给人类造成了各种污染和“温室效应”，但它却为人类的文明进步“竭尽全力”了，大约在200年之后，地球上将无石油、煤和天然气可采。从长远来看，核能是继石油、煤和天然气之后的主要能源，人类将从“石油文明”走向“核能文明”。
20世纪后半叶，核能利用出现热潮，各种类型的核电站在世界范围内得到了异常迅速的发展。但目前所有核电站的原理，都是利用铀等大原子量的重元素原子核的裂变来释放巨大能量的。核裂变虽然能产生巨大的能量，但裂变堆的核燃料（主要是铀）蕴藏极为有限，地球上的储量也仅够维持数百年。而且裂变电站引发的核污染噩梦与之创造的能量同样触目惊心。强大的核幅射，伤害人体的环境；遗害千年的废料也很难处理。前苏联切尔诺贝利核（裂变）电站的事故给人类造成的危害和伤痛始终无法从人们的内心抹去。
二、“人造太阳”解决能源危机
世界上的每一种物质都处于不稳定状态，有时会分裂或合成，变成另外的物质。物质无论是分裂或合成，都会产生能量。由两个轻原子核合成为一个中等质量的原子核，就叫核聚变，太阳就是依此而释放出巨大能量的。如果人类实现了可按人类自身意愿进行的核聚变——受控核聚变，那么可以说人类在地球上会创造出一个个具有不竭能量的“人造太阳”。
因为核聚变反应燃料是氢的同位素氘、氚及惰性气体
（氦-3），氘和氚在地球上蕴藏极其丰富。据测算，每1L海水中含30mg氘，而30mg氘聚变产生的能量相当于300L汽油，这就是说，1L海水可产生相当于300L汽油的能量。一座100万kW的核聚变电站，每年耗氘量只需304kg。天然存在于海水中的氘有45亿t，把海水通过核聚变转化为能源，按目前世界能源消耗水平，可供人类用上亿年。锂是核聚变实现纯氘反应的过渡性辅助“燃料”，地球上的锂足够用1万年～2万年，我国羌塘高原锂矿储量占世界的一半。
科学家们还发现，以为燃料的核聚变反应比氘、氚聚变更清洁，效益更高，而且与放射性的氘氚不同的是是一种惰性气体，操作安全。获得过诺贝尔奖金的科学家博格和美国总统军备控制顾问保罗·尼采1991年曾撰文说，没有其他能源能像那样几乎无污染。虽然地球上不存在的矿藏，但是月球表面的钛金属能吸收太阳风刮来的粒子。据估计，月球诞生的40亿年间，钛矿吸收了大约100万
，其能量相当于地球上有史以来所有开发矿物燃料的10倍以上。月球上的钛矿中蕴藏着丰富的资源。1986年成立的美国威斯康星州的麦迪逊研究中测算，只要从月球上运回25，就可满足美国大约一年的能源需要。目前，全球每年的能源消费大约1000万MW，到2050年时将会猛增至3000万MW，每年从月球上开采1500，就能满足世界范围内对能源的需求。按上述开采量推算，月球上的至少可供地球上使用700年。但木星和土星上的几乎是取之不尽、用之不竭的。
另外，由于核聚变需要极高的温度，一旦某一环节出现问题，燃料温度下降，聚变反应就会自动中止。也就是说，绝对不会发生类似前苏联切尔诺贝利核（裂变）电站的事故，它是安全的。因此，聚变能是一种无限的、清洁的、安全的新能源。
综上所述，可以看出，核聚变为人类摆脱能源危机展现了美好的前景。
三、受控核聚变前景广阔
早在1938年，人们就发现了核聚变。然而，距1942年第一座核裂变反应堆建成已半个多世纪了，受控核聚变还是迟迟没有实现有益的能量输出。如此举步维艰的根本原因，是轻元素原子核的聚合远比重元素原子核的分裂困难得多。因为两个带正电的原子核间既彼此吸引又互相排斥，当两个原子核之间相距只有约万亿分之三毫米时，它们之间的吸引力才会大于静电斥力，两个原子核也才可能聚合到一起同时释放出巨大的能量。而满足这样的条件需要的是几千万甚至几亿摄氏度的高温。因此人类要实现可以控制的聚变过程必须解决的两个问题：
(1)将聚变物质加热至上亿摄氏度，实现聚变反应。人们形象地称之为“点火”问题。随着激光技术的发展，使可控核聚变的“点火”难题有了解决的可能。目前，世界上最大激光输出功率达100亿W，足以“点燃”核聚变。除激光外，利用超高额微波加热法，也可达到“点火”温度。美国，俄罗斯、日本和西欧国家的研究已经取得了可喜的进展。
(2)盛放聚变物质的容器。诺贝尔物理学奖获得者前苏联著名物理学家塔姆，在20世纪50年代初，提出了用环形强磁场约束高温等离子体的设想。他认为，把强电流产生的极向磁场与环形磁场相结合，可望实现高温等离子体的磁约束。受这一思想的启发，前苏联物理学家阿奇莫维奇开始了这一装置的研究。最初，他们在环形陶瓷真空室外套多匝线圈，利用电容器放电使真空室形成环形磁场。与此同时，用变压器放电，使等离子体电流产生极向磁场。后来又利用不锈钢真空室代替陶瓷真空室，还改进了线圈的工艺，增加了匝数，改进了磁场位形，最后成功地建成了一个高温等离子体磁约束装置。阿奇莫维奇将这一形如面包圈的环形容器命名为托卡马克。
国际热核聚变实验中的环状反应堆——托卡马克
目前，全世界有30多个国家及地区开展了核聚变研究，运行的托卡马克装置至少有几十个。美、日、欧等发达国家的大型常规托卡马克在短脉冲（数秒量级）运行条件下，做出了许多重要成果。等离子体温度已达4.4亿度；脉冲聚变输出功率超过16MW；Q值（表示输出功率与输入功率之比）已超过1.25。所有这些成就都表明：在托卡马克上产生聚变能的科学性、可行性已被证实。但这些结果都是在数秒时间内以脉冲形式产生的，与实际反应堆的连续运行仍有较大的距离，其主要原因在于磁容器的产生是脉冲形式的。
受控热核聚变能研究的一次重大突破，就是将超导技术成功地应用于产生托卡马克强磁场的线圈上，建成了超导托卡马克，使得磁约束位形的连续稳态运行成为现实。超导托卡马克是公认的探索、解决未来聚变反应堆工程及物理问题的最有效的途径。目前，全世界仅有俄、日、法、中四国拥有超导托卡马克。2002年新年伊始，中国科学院等离子体所传出激动人心的好消息——HT-7超导托卡马克核聚变实验取得重大突破：实现了长达20s的高参数等离子体放电、中心密度大于
、在离子伯恩斯波和低杂波协同作用下，实现放电脉冲时间大于100倍能量约束时间、电子温度2000万度的高约束稳态运行、最高电子温度超过3000万度。这一领先于国际上同等规模装置的实验结果，标志着HT-7超导托卡马克的研究已步入世界磁约束核聚变研究的前列，成为世界上为数不多的可进行高参数准稳态条件下等离子体物理研究的实验装置。法国的超导托卡马克Toresupra体积是HT-7的17.5倍，它是世界上第一个真正实现高参数准稳态运行的装置，在放电时间长达120s条件下，等离子体温度为2000万度，中心密度为
，放电时间是热能约束时间的数百倍。
目前，中、美、英、法、德、俄、日等国都在竞相开发核聚变发电厂，而且由中国、美国、欧盟、日本、俄罗斯、韩国参加的国际热核反应堆合作计划(ITER)也已经到了具体选址建造国际热核聚变实验堆的阶段。这个被称为“人造太阳”的热核反应堆，不仅因为1.3万亿日元的巨大投资引起了人们极大的关注，更因为如能在未来50年内开发成功，将在很大程度上改变目前世界能源格局，使人类今后将拥有取之不尽、用之不竭的清洁能源。
祝愿受控核聚变发电广泛造福人类！