核聚变——人类理想新能源

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1、核聚变人类理想新能源班级序号姓名专业教师2班41 号胡俊茹视觉传达计 赵老师（66326）课程总结人类与能源对于我们这些生活在地球上的卑微生命来说，太阳是一切的源泉 我们崇拜太阳，依赖太阳。它给我们带来光明和温暖，辐照大地滋养 万物，给我们带来食物，甚至我们呼吸的氧气。从物理的角度来说， 太阳是地球上几乎一切活动的能量之源。这些能量来自于氢到氦的聚 变。获取光明，获取温暖，获取能源是人类文明存在和发展的基本要 求。人类文明诞生到现在，主要靠火来满足这一要求。从中国的燧人 氏到西方的普罗米修斯，他们因为引来了火而被人们称道感激。但是 他们引来的火并不是真正的太阳之火，而是化学之火。化学之火催生

2、了人类文明，帮助我们走过石器时代，农业时代，工业时代，一直到 现在的信息时代。我们今天的一切，几乎都要化学之火。可是，当人 类发展到今天，成为地球上分布最广，生存能力最强的优势种类之后， 对化学之火的依赖也深深改变和伤害了地球。从今往后的一两百年内 化学之火的大规模能源将逐渐用尽，可人类还需要生存，需要发展， 这就需要找到新的火，新的能源。新能源包括可再生能源，和不可再生的核能。可再生能源在利用 的时候有很多问题。核能虽然不可再生，但是总量巨大，其中聚变核 能资源可以供人类以目前的能源消耗速度生活上百亿年。裂变核能因 为安全性问题，在聚变核能大规模投入使用之前，是一个不得已的选 择。人类要继续

3、生存和发展，一定要掌握聚变核能。 聚变发电究竟还有多远？无论是磁约束还是惯性约束，应该说，从理论的角度，聚变发电 是可以实现的，主要的技术障碍也在逐项消除。目前除了第一壁材料 问题还不太确定之外，以前认为很难解决的一些问题，比如不稳定性 问题，磁约束中的电流驱动问题，加热问题等，原则上都不应该有问 题，只是需要在计划的实验上演示验证。实际上，ITER项目的正式 目标就是为了示范托克马克磁约束方案的科学和技术可行性。太阳的能量来自它中心的热核聚变。核聚变是指由质量小的原子 主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高温和高压），发生原子核互 相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放

4、的一种核反应形式。原子核中蕴藏巨大的能量，原子核的变化（从一 种原子核变化为另外一种原子核）往往伴随着能量的释放。如果是由 重的原子核变化为轻的原子核，叫核裂变，如原子弹爆炸；如果是由 轻的原子核变化为重的原子核，叫核聚变，如太阳发光发热的能量来 源。目前人类已经可以实现不受控制的核聚变，如氢弹的爆炸。但是 要想能量可被人类有效利用，必须能够合理的控制核聚变的速度和规 模，实现持续、平稳的能量输出。科学家正努力研究如何控制核聚变， 但是现在看来还有很长的路要走。主要的几种可控核聚变方式：超声波核聚变，激光约束（惯性约 束）核聚变，磁约束核聚变（托卡马克）。1. 可控核聚变的发生条件。产生可控核

5、聚变需要的条件非常苛刻。我们的太阳就是靠核聚变 反应来给太 EAST 全超导非圆截面核聚变实验装置阳系带来光和热 其中心温度达到 1500 万摄氏度，另外还有巨大的压力能使核聚变正 常反应，而地球上没办法获得巨大的压力，只能通过提高温度来弥补， 不过这样一来温度要到上亿度才行。核聚变如此高的温度没有一种固 体物质能够承受，只能靠强大的磁场来约束。此外这么高的温度，核 反应点火也成为问题。不过在 2010 年 2 月 6 日，美国利用高能激光 实现核聚变点火所需条件。中国也有“神光2”将为我国的核聚变进 行点火。2. 核聚变的反应装置。目前，可行性较大的可控核聚变反应装置就是装置。托卡马克是 一

6、种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。它的名字托卡马克来 源于环形、真空室、磁、线圈。最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托 夫研究所的阿齐莫维齐等人在 20 世纪 50 年代发明的。托卡马克的中 央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的 内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度 以达到核聚变的目的。我国也有两座核聚变实验装置。3. 核聚变的优劣势。 优势：（1）核聚变释放的能量比核裂变更大。（2）无高端核废料， 可不对环境构成大的污染。（3）燃料供应充足，地球上重氢有 10 万 亿吨。劣势：反应要求极高，技术要求极高。从理论上看，用核聚变提供部分能源，是非

7、常有益的。但目前人类还没有办法，对它们进行较好的利用。磁约束聚变的方案有很多种，但目前主要集中在 ITER 相关的研 究中。这一项目在以后二、三十年内的研究路线图已经确定。根据路 线图，到2019 年 11月，装置基本建成，可以产生和约束高密度的等 离子体，各项系统可以工作，然后安装聚变反应条件下的冷却和真空 系统，到2023 年可以开始等离子实验，2027 年开始短脉冲氘氚燃烧， 2028 年实现长脉冲全功率输出氘氚燃烧。也就是说，最迟到2030 年 左右，应该能够按计划实现磁约束聚变。但是要注意，ITER只是一 个研究堆，尚不能发电。该装置没有设计发电子系统，也加不上去。 商业发电不在 I

8、TER 研究目标之内。各国将自行设计和建造自己的聚 变发电装置。即使一切进展顺利，而且材料问题也得到解决，考虑到 系统的复杂性和装置的建设周期，估计也还需要 20 年时间才能建成 能稳定运行的聚变电站。而经济性要达到可以接受的程度，并大规模 取代其它能源，可能还需要二、三十年时间。也就是说，大概还要六 十到七十年时间，磁约束聚变能源才能大规模进入社会。如果再保守 一点，从磁约束的角度来看，大致需要100 年时间，到下世纪初才能 进入聚变能源时代。虽然看起来现在离聚变发电距离还很远，但是与 20 年前相比， 现在的很多成就也是当时难以想象的，例如激光能量，激光校准，靶 丸生产等。举一个靶丸跟踪定

9、位的例子。激光聚变要求靶丸定位非常 精确，允许的误差只有几个微米。但是靶丸要通过一支注入枪高速射 入反应室。当靶丸正好走到激光汇聚点的时候，超高功率激光脉冲到 达，点燃靶丸。这是非常难实现的，精心设计的注入枪只能达到几毫 米的控制精度，比允许值大一千倍。但美国通用原子能公司设计了一 套弹丸注入与跟踪修正技术，用一套弱激光跟踪和调整靶丸运行轨迹 目前可以将弹丸定位在 28 微米误差范围内。20 年后，激光聚变 能 不能发电，很难说。但是无疑我们会离目标更近。磁约束聚变由于装置更加复杂，成本更高，需要找到紧贴高温等 离子并承受高通量高能中子轰击的材料，需要的时间应该要多一些。 究竟哪一种方案能够最

10、先获得成功，现在还很难说。目前除了主流的 几种方案外，还有几十种聚变能源方案在研究，甚至一种新的方案出 现并获得成功的可能性也是有的，但可能性最大的无疑是上面说的几 种。未来会怎么样？利用核能是大势所趋。近几十年来，核能已经为人类解决能源短 缺问题作出了巨大贡献。核能作为一种清洁、稳定且有助减缓气候变 化影响的能源，正为越来越多的国家所接受，在可预见的将来，在人 类能源供应中会占有更重要地位。国际原子能机构的数据显示，未来 20 年内全球能源需求将增长 50%，利用核能是大势所趋。2008 年以 来，全球开工建设的核电站逐年上升，目前全世界共有 60 多个国家 考虑发展核能发电，预计到 203

11、0 年，将又有 10 个至 25 个国家拥有 核电站。聚变能源需要建立一整套新的工业和技术体系，如高功率高重复 频率激光器，大型超导 线圈，抗极端辐照条件材料，氚生产等，也 需要培养大量相关人才，这些都需要时间。我们可能会认为 40 年 50 年很长，但对于人类历史来说，一两百年也只是短暂的一瞬。我们用 火已经有几十万年了，煤、石油、天然气等化石能源的使用有一千多 年历史，而大规模开发利 用，成为社会主要能量来源只有两三百年。 如果花一两百年过渡到聚变能源，可以保证人类以后非常长时间的生 存和发展，付出再多的努力，都是值得的。当然，目前的能源形势已 经很严峻了，那么这一两百年怎么办？一两百年内

12、，世界的发展也不 是很好预测，但是如果人类有足够的智慧，能够控制自身整体的行为， 化石能源加可再生能源还是足够支持我们度过这段时间的。实在不行 如果我们愿意冒一点风险，在控制风险的前提下，还可以大量利用丰 富的裂变核能。一两百年内能进入聚变能源时代，是非常了不起的成就。这项成 就的意义不仅仅是能源得到保障，而在于为人类下一次革命打下了基 础。我们用火，得到了大量食物，拓展了生存空间，用化石能源拓展 了自己的能力，完成了工业化、信息化。而一旦实现了聚变，再结合 现在已经基本拥有的一些技术，我们可以获得独立于自然的生存能力 我们将能抵御大规模自然灾难，将能迈出地球，走向宇宙空间。地球 历史上几十、几百、几千万年一轮回的大规模灾难曾经一遍又一遍地 大规模灭绝地球的生命，这些将不再威胁人类整体的生存。我们常把聚变堆比喻为人造太阳，主要是从它的工作原理来说的 这里其实隐含着一层 更深刻的意义。因为我们也知道，太阳是生命 之源，是万物之父，如果说地球是万物之母的 话。如果我们造出了太阳，我们人类作为地球生命的代表，就终于长大了、成熟了可以离开父母，可以自立、自生、和繁衍，去开拓新的天地。