作业帮核聚变发电站为什么人们能造出核裂变发电站,却迟迟造不出利用核聚变的发电站,存在的主要障碍是什么?
来源：学生作业帮 编辑：作业帮 分类：语文作业 时间：2024/05/14 05:30:46
核聚变发电站
为什么人们能造出核裂变发电站,却迟迟造不出利用核聚变的发电站,存在的主要障碍是什么?
为什么人们能造出核裂变发电站,却迟迟造不出利用核聚变的发电站,存在的主要障碍是什么?
温度太高.见下文
在太阳上由于引力巨大,氢的聚变可以自然地发生,但在地球上的自然条件下却无法实现自发的持续核聚变.在氢弹中,爆发是在瞬间发生并完成的,可以用一个原子弹提供高温和高压,引发核聚变,但在反应堆里,不宜采用这种方式,否则反应会难以控制.
根据核聚变发生的机理,要实现可控制的核聚变实际上比造个太阳要难多了.我们知道,所有原子核都带正电,两个原子核要聚到一起,必须克服静电斥力.两个核之间靠得越近,静电产生的斥力就越大,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（强作用力）才会伸出强有力的手,把它们拉到一起,从而放出巨大的能量.要使它们联起手来并不难,难的是既要让它们有拉手的机会又不能让他们过于频繁地拉手.要使它们有机会拉手,就要使粒子间有足够的高速碰撞的机会,这可以增加原子核的密度和运动速度.但增加原子核的密度是有限制的,否则一旦反应加速,自身放出的能量会使反应瞬间爆发.据计算,在维持一定的密度下,粒子的温度要达到1～2亿度才行,这要比太阳上的温度（中心温度1500万度,表面也有6000度）还要高许多.但这样高的温度拿什么容器来装它们呢?
这个问题并没有难倒科学家,20世纪50年代初,苏联科学家塔姆和萨哈罗夫提出磁约束的概念.苏联库尔恰托夫原子能研究所的阿奇莫维奇按照这样的思路,不断进行研究和改进,于1954年建成了第一个磁约束装置.他将这一形如面包圈的环形容器命名为托卡马克（tokamak）.托卡马克是“磁线圈圆环室”的俄文缩写,又称环流器.这是一个由封闭磁场组成的“容器”,像一个中空的面包圈,可用来约束电离了的等离子体.我们知道,一般物质到达10万度时,原子中的电子就脱离了原子核的束缚,形成等离子体.等离子体是由带正电的原子核和带负电的电子组成的气体,整体是电中性的.在磁场中,它们的每个粒子都是显电性的,带电粒子会沿磁力线做螺旋式运动,所以等离子体就这样被约束在这种环形的磁场中.这种环形的磁场又叫磁瓶或磁笼,看不见,摸不着,也不接触有形的物体,因而也就不怕什么高温了,它可以把炙热的等离子体托举在空中.
人们本来设想,有了“面包炉”,只需把氘、氚放入炉内加火烤制,把握好火候,能量就应该流出来.其实不然,人们接着遇到的麻烦是,在加热等离子体的过程中能量耗散严重,温度越高,耗散越大.一方面,高温下粒子的碰撞使等离子体的粒子会一步一步地横越磁力线,携带能量逃逸；另一方面,高温下的电磁辐射也要带走能量.这样,要想把氘、氚等离子体加热到所需的温度,不是件容易的事.另外,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,而且当约束等离子体的磁场一旦出现变形,就会变得极不稳定,造成磁笼断开或等离子体碰到聚变反应室的内壁上.
步步逼近
托卡马克中等离子体的束缚是靠纵场（环向场）线圈,产生环向磁场,约束等离子体,极向场控制等离子体的位置和形状,中心螺管也产生垂直场,形成环向高电压,激发等离子体,同时加热等离子体,也起到控制等离子体的作用.
几十年来,人们一直在研究和改进磁场的形态和性质,以达到长时间的等离子体的稳定约束；还要解决等离子体的加热方法和手段,以达到聚变所要求的温度；在此基础上,还要解决维持运转所耗费的能量大于输出能量的问题.每一次等离子体放电时间的延长,人们都为之兴奋；每一次温度的提高,人们都为之欢呼；每一次输出能量的提高,都意味着我们离聚变能的应用更近了一步.尽管取得了很大进步,但障碍还是没有克服.到目前为止,托卡马克装置都是脉冲式的,等离子体约束时间很短,大多以毫秒计算,个别可达到分钟级,还没有一台托卡马克装置实现长时间的稳态运行,而且在能量输出上也没有做到不赔本运转.
为了维持强大的约束磁场,电流的强度非常大,时间长了,线圈就要发热.从这个角度来说,常规托卡马克装置不可能长时间运转.为了解决这个问题,人们把最新的超导技术引入到托卡马克装置中,也许这是解决托卡马克稳态运转的有效手段之一.目前,法国、日本、俄罗斯和中国共有4个超导的托卡马克装置在运行,它们都只有纵向场线圈采用超导技术,属于部分超导.其中法国的超导托卡马克Tore-Supra体积较大,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120秒的条件下,等离子体温度为2000万度,中心粒子密度每立方米1.5×1019个.中国和韩国正在建造全超导的托卡马克装置,目标是实现托卡马克更长时间的稳态运行.
50年来,全世界共建造了上百个托卡马克装置,在改善磁场约束和等离子体加热上下足了功夫.在上世纪70年代,人们对约束磁场研究有了重大进展,通过改变约束磁场的分布和位形,解决了等离子体粒子的侧向漂移问题.世界范围内掀起了托卡马克的研究热潮.美国、欧洲、日本、苏联建造了四个大型托卡马克,即美国1982年在普林斯顿大学建成的托卡马克聚变实验反应堆（TFTR）,欧洲1983年6月在英国建成更大装置的欧洲联合环（JET）,日本1985年建成的JT-60,苏联1982年建成超导磁体的T-15,它们后来在磁约束聚变研究中做出了决定性的贡献.特别是欧洲的JET已经实现了氘、氚的聚变反应.1991年11月,JET将含有14%的氚和86%的氘混合燃料加热到了摄氏3亿度,聚变能量约束时间达2秒.反应持续1分钟,产生了1018个聚变反应中子,聚变反应输出功率约1.8兆瓦.1997年9月22日创造了核聚变输出功率12.9兆瓦的新记录.这一输出功率已达到当时输入功率的60%.不久输出功率又提高到16.1兆瓦.在托卡马克上最高输出与输入功率比已达1.25.
中国的核聚变研究也有较快的发展,西南物理研究院1984年建成中国环流器一号（HL-1）,1995年建成中国环流器新一号.中国科学院等离子体物理研究所1995年建成超导装置HT-7.HT-7是前苏联无偿赠送给中国的一套纵向超导的托卡马克实验装置,经等离子体物理研究所的不断改进,它已成为一个宠大的实验系统.它包括HT-7超导托卡马克装置本体、大型超高真空系统、大型计算机控制和数据采集处理系统、大型高功率脉冲电源及其回路系统、全国规模最大的低温氦制冷系统、兆瓦级低杂波电流驱动和射频波加热系统以及数十种复杂的诊断测量系统.在十几次实验中,取得若干具有国际影响的重大科研成果.特别是在2003年3月31日,实验取得了重大突破,获得超过1分钟的等离子体放电,这是继法国之后第二个能产生分钟量级高温等离子体放电的托卡马克装置.在HT-7的基础上,等离子体物理研究所研制和设计了全超导托卡马克装置HT-7U（后来名字更改为EAST,Experimental Advanced Superconducting Tokamak）,目前正在组装阶段,预计2005年建成.
EAST或者称“实验型先进超导托卡马克”,是一台全超导托卡马克装置,受到国际同行的瞩目.国际专家普遍认为,EAST可能将成为世界上第一个可实现稳态运行、具有全超导磁体和主动冷却第一壁结构的托卡马克.该装置有真正意义的全超导和非圆截面特性,更有利于科学家探索等离子体稳态先进运行模式,其工程建设和物理研究将为“国际热核聚变实验堆”（ITER）的建设提供直接经验和基础.
为了达到聚变所要求的条件,托卡马克已经变为一个高度复杂的装置,十八般武艺全用上了,其中有超大电流、超强磁场、超高温、超低温等极限环境,对工艺和材料也提出了极高的要求,从堆芯上亿度的高温到线圈中零下269度的低温,就可见一斑.
合作之路
从上个世纪50年代初,美国和苏联分别开始秘密地研究可控的核聚变,因为核聚变反应堆不仅可以获取用之不绝的能源,还可以用作稳定的中子源,例如可用来生产核裂变原料.但理论研究和实验技术上遇到一个又一个难以逾越的障碍,不久独立进行研究的各国就认识到这件事并不容易,只有开展广泛的国际合作才是加速实现核聚变能利用的可行之路.随后逐渐相互公开研究资料和进展,开始了合作之路.即使在冷战时期,其他核技术都是相互保密的,惟独热核聚变技术是相互公开的.
1985年,美国总统里根和苏联总统戈尔巴乔夫,在一次首脑会议上倡议开展一个核聚变研究的国际合作计划,要求“在核聚变能方面进行最广泛的、切实可行的国际合作”.戈尔巴乔夫、里根和法国总统密特朗后来又进行了几次高层会晤,支持在国际原子能机构主持下,进行国际热核实验反应堆,即ITER的概念设计和辅助研究开发方面的合作.
1987年春,国际原子能机构总干事邀请欧共体、日本、美国和加拿大、苏联的代表在维也纳开会,讨论加强核聚变研究的国际合作问题,并达成协议,四方合作设计建造国际热核实验堆,并由此诞生了第一个国际热核实验堆的概念设计计划.计划将于2010年建成一个实验堆,预期产生热功率1500兆瓦、等离子体电流2400万安培,燃烧时间可达16分钟.
随后,由于苏联的解体,计划受到很大影响,1999年美国的退出使ITER计划雪上加霜.日本和欧共体国家于是成为支持国际磁约束聚变研究计划的主体力量.经过多年的努力,ITER工程设计修改方案也终于在2001年6月圆满完成.
根据计划,首座热核反应堆将于2006年开工,总造价为约40亿欧元.聚变功率至少达到500兆瓦.等离子体的最大半径6米,最小半径2米,等离子体电流1500万安培,约束时间至少维持400秒.未来发展计划包括一座原型聚变堆在2025年前投入运行,一座示范聚变堆在2040年前投入运行.
2003年2月18日,美国宣布重新加入这一大型国际计划,中国也于前一个月正式加入该项计划的前期谈判.19日,国际热核实验反应堆计划参与各方在俄罗斯圣彼得堡决定,将于2013年前在日本、西班牙、法国和加拿大四国中的一个国家中建成世界上第一座热核反应堆.
2003年12月20日在华盛顿召开的一次非常热闹的会议上出现了两军对垒的形势：欧盟、中国和俄罗斯主张把反应堆建在法国的卡达拉齐,而美国、南朝鲜和日本则主张建在日本的六所村.因为没有选择加拿大作为反应堆候选国,加拿大政府随后宣布,由于缺乏资金退出该项目.
ITER的相关会议确定,反应堆所在国出资48%,其他国家各出资10%.目前各项细节谈判正在紧锣密鼓地进行之中,反应堆建在哪里还没有最终确定.
尽管ITER计划采用了最先进的设计,综合了以往的经验和成果,比如采用全超导技术,但它的确还面临重重挑战.即使它能如期在2013年如期建成,这个10层楼高的庞大机器能否达到预期目标也还是个未知数.诸如探索新的加热方式与机制为实现聚变点火,改善等离子体的约束性能,反常输运与涨落现象研究等前沿课题,偏滤器的排灰、大破裂的防御、密度极限、长脉冲H-模的维持、中心区杂质积累等工程技术难关还有待于各国科技工作者群力攻关.即使对ITER的科学研究真的成功了,聚变发电站至少还要30～50年以后才能实现.
尽管如此,我们还是看到了人造太阳露出的晨曦.
在太阳上由于引力巨大,氢的聚变可以自然地发生,但在地球上的自然条件下却无法实现自发的持续核聚变.在氢弹中,爆发是在瞬间发生并完成的,可以用一个原子弹提供高温和高压,引发核聚变,但在反应堆里,不宜采用这种方式,否则反应会难以控制.
根据核聚变发生的机理,要实现可控制的核聚变实际上比造个太阳要难多了.我们知道,所有原子核都带正电,两个原子核要聚到一起,必须克服静电斥力.两个核之间靠得越近,静电产生的斥力就越大,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（强作用力）才会伸出强有力的手,把它们拉到一起,从而放出巨大的能量.要使它们联起手来并不难,难的是既要让它们有拉手的机会又不能让他们过于频繁地拉手.要使它们有机会拉手,就要使粒子间有足够的高速碰撞的机会,这可以增加原子核的密度和运动速度.但增加原子核的密度是有限制的,否则一旦反应加速,自身放出的能量会使反应瞬间爆发.据计算,在维持一定的密度下,粒子的温度要达到1～2亿度才行,这要比太阳上的温度（中心温度1500万度,表面也有6000度）还要高许多.但这样高的温度拿什么容器来装它们呢?
这个问题并没有难倒科学家,20世纪50年代初,苏联科学家塔姆和萨哈罗夫提出磁约束的概念.苏联库尔恰托夫原子能研究所的阿奇莫维奇按照这样的思路,不断进行研究和改进,于1954年建成了第一个磁约束装置.他将这一形如面包圈的环形容器命名为托卡马克（tokamak）.托卡马克是“磁线圈圆环室”的俄文缩写,又称环流器.这是一个由封闭磁场组成的“容器”,像一个中空的面包圈,可用来约束电离了的等离子体.我们知道,一般物质到达10万度时,原子中的电子就脱离了原子核的束缚,形成等离子体.等离子体是由带正电的原子核和带负电的电子组成的气体,整体是电中性的.在磁场中,它们的每个粒子都是显电性的,带电粒子会沿磁力线做螺旋式运动,所以等离子体就这样被约束在这种环形的磁场中.这种环形的磁场又叫磁瓶或磁笼,看不见,摸不着,也不接触有形的物体,因而也就不怕什么高温了,它可以把炙热的等离子体托举在空中.
人们本来设想,有了“面包炉”,只需把氘、氚放入炉内加火烤制,把握好火候,能量就应该流出来.其实不然,人们接着遇到的麻烦是,在加热等离子体的过程中能量耗散严重,温度越高,耗散越大.一方面,高温下粒子的碰撞使等离子体的粒子会一步一步地横越磁力线,携带能量逃逸；另一方面,高温下的电磁辐射也要带走能量.这样,要想把氘、氚等离子体加热到所需的温度,不是件容易的事.另外,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,而且当约束等离子体的磁场一旦出现变形,就会变得极不稳定,造成磁笼断开或等离子体碰到聚变反应室的内壁上.
步步逼近
托卡马克中等离子体的束缚是靠纵场（环向场）线圈,产生环向磁场,约束等离子体,极向场控制等离子体的位置和形状,中心螺管也产生垂直场,形成环向高电压,激发等离子体,同时加热等离子体,也起到控制等离子体的作用.
几十年来,人们一直在研究和改进磁场的形态和性质,以达到长时间的等离子体的稳定约束；还要解决等离子体的加热方法和手段,以达到聚变所要求的温度；在此基础上,还要解决维持运转所耗费的能量大于输出能量的问题.每一次等离子体放电时间的延长,人们都为之兴奋；每一次温度的提高,人们都为之欢呼；每一次输出能量的提高,都意味着我们离聚变能的应用更近了一步.尽管取得了很大进步,但障碍还是没有克服.到目前为止,托卡马克装置都是脉冲式的,等离子体约束时间很短,大多以毫秒计算,个别可达到分钟级,还没有一台托卡马克装置实现长时间的稳态运行,而且在能量输出上也没有做到不赔本运转.
为了维持强大的约束磁场,电流的强度非常大,时间长了,线圈就要发热.从这个角度来说,常规托卡马克装置不可能长时间运转.为了解决这个问题,人们把最新的超导技术引入到托卡马克装置中,也许这是解决托卡马克稳态运转的有效手段之一.目前,法国、日本、俄罗斯和中国共有4个超导的托卡马克装置在运行,它们都只有纵向场线圈采用超导技术,属于部分超导.其中法国的超导托卡马克Tore-Supra体积较大,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120秒的条件下,等离子体温度为2000万度,中心粒子密度每立方米1.5×1019个.中国和韩国正在建造全超导的托卡马克装置,目标是实现托卡马克更长时间的稳态运行.
50年来,全世界共建造了上百个托卡马克装置,在改善磁场约束和等离子体加热上下足了功夫.在上世纪70年代,人们对约束磁场研究有了重大进展,通过改变约束磁场的分布和位形,解决了等离子体粒子的侧向漂移问题.世界范围内掀起了托卡马克的研究热潮.美国、欧洲、日本、苏联建造了四个大型托卡马克,即美国1982年在普林斯顿大学建成的托卡马克聚变实验反应堆（TFTR）,欧洲1983年6月在英国建成更大装置的欧洲联合环（JET）,日本1985年建成的JT-60,苏联1982年建成超导磁体的T-15,它们后来在磁约束聚变研究中做出了决定性的贡献.特别是欧洲的JET已经实现了氘、氚的聚变反应.1991年11月,JET将含有14%的氚和86%的氘混合燃料加热到了摄氏3亿度,聚变能量约束时间达2秒.反应持续1分钟,产生了1018个聚变反应中子,聚变反应输出功率约1.8兆瓦.1997年9月22日创造了核聚变输出功率12.9兆瓦的新记录.这一输出功率已达到当时输入功率的60%.不久输出功率又提高到16.1兆瓦.在托卡马克上最高输出与输入功率比已达1.25.
中国的核聚变研究也有较快的发展,西南物理研究院1984年建成中国环流器一号（HL-1）,1995年建成中国环流器新一号.中国科学院等离子体物理研究所1995年建成超导装置HT-7.HT-7是前苏联无偿赠送给中国的一套纵向超导的托卡马克实验装置,经等离子体物理研究所的不断改进,它已成为一个宠大的实验系统.它包括HT-7超导托卡马克装置本体、大型超高真空系统、大型计算机控制和数据采集处理系统、大型高功率脉冲电源及其回路系统、全国规模最大的低温氦制冷系统、兆瓦级低杂波电流驱动和射频波加热系统以及数十种复杂的诊断测量系统.在十几次实验中,取得若干具有国际影响的重大科研成果.特别是在2003年3月31日,实验取得了重大突破,获得超过1分钟的等离子体放电,这是继法国之后第二个能产生分钟量级高温等离子体放电的托卡马克装置.在HT-7的基础上,等离子体物理研究所研制和设计了全超导托卡马克装置HT-7U（后来名字更改为EAST,Experimental Advanced Superconducting Tokamak）,目前正在组装阶段,预计2005年建成.
EAST或者称“实验型先进超导托卡马克”,是一台全超导托卡马克装置,受到国际同行的瞩目.国际专家普遍认为,EAST可能将成为世界上第一个可实现稳态运行、具有全超导磁体和主动冷却第一壁结构的托卡马克.该装置有真正意义的全超导和非圆截面特性,更有利于科学家探索等离子体稳态先进运行模式,其工程建设和物理研究将为“国际热核聚变实验堆”（ITER）的建设提供直接经验和基础.
为了达到聚变所要求的条件,托卡马克已经变为一个高度复杂的装置,十八般武艺全用上了,其中有超大电流、超强磁场、超高温、超低温等极限环境,对工艺和材料也提出了极高的要求,从堆芯上亿度的高温到线圈中零下269度的低温,就可见一斑.
合作之路
从上个世纪50年代初,美国和苏联分别开始秘密地研究可控的核聚变,因为核聚变反应堆不仅可以获取用之不绝的能源,还可以用作稳定的中子源,例如可用来生产核裂变原料.但理论研究和实验技术上遇到一个又一个难以逾越的障碍,不久独立进行研究的各国就认识到这件事并不容易,只有开展广泛的国际合作才是加速实现核聚变能利用的可行之路.随后逐渐相互公开研究资料和进展,开始了合作之路.即使在冷战时期,其他核技术都是相互保密的,惟独热核聚变技术是相互公开的.
1985年,美国总统里根和苏联总统戈尔巴乔夫,在一次首脑会议上倡议开展一个核聚变研究的国际合作计划,要求“在核聚变能方面进行最广泛的、切实可行的国际合作”.戈尔巴乔夫、里根和法国总统密特朗后来又进行了几次高层会晤,支持在国际原子能机构主持下,进行国际热核实验反应堆,即ITER的概念设计和辅助研究开发方面的合作.
1987年春,国际原子能机构总干事邀请欧共体、日本、美国和加拿大、苏联的代表在维也纳开会,讨论加强核聚变研究的国际合作问题,并达成协议,四方合作设计建造国际热核实验堆,并由此诞生了第一个国际热核实验堆的概念设计计划.计划将于2010年建成一个实验堆,预期产生热功率1500兆瓦、等离子体电流2400万安培,燃烧时间可达16分钟.
随后,由于苏联的解体,计划受到很大影响,1999年美国的退出使ITER计划雪上加霜.日本和欧共体国家于是成为支持国际磁约束聚变研究计划的主体力量.经过多年的努力,ITER工程设计修改方案也终于在2001年6月圆满完成.
根据计划,首座热核反应堆将于2006年开工,总造价为约40亿欧元.聚变功率至少达到500兆瓦.等离子体的最大半径6米,最小半径2米,等离子体电流1500万安培,约束时间至少维持400秒.未来发展计划包括一座原型聚变堆在2025年前投入运行,一座示范聚变堆在2040年前投入运行.
2003年2月18日,美国宣布重新加入这一大型国际计划,中国也于前一个月正式加入该项计划的前期谈判.19日,国际热核实验反应堆计划参与各方在俄罗斯圣彼得堡决定,将于2013年前在日本、西班牙、法国和加拿大四国中的一个国家中建成世界上第一座热核反应堆.
2003年12月20日在华盛顿召开的一次非常热闹的会议上出现了两军对垒的形势：欧盟、中国和俄罗斯主张把反应堆建在法国的卡达拉齐,而美国、南朝鲜和日本则主张建在日本的六所村.因为没有选择加拿大作为反应堆候选国,加拿大政府随后宣布,由于缺乏资金退出该项目.
ITER的相关会议确定,反应堆所在国出资48%,其他国家各出资10%.目前各项细节谈判正在紧锣密鼓地进行之中,反应堆建在哪里还没有最终确定.
尽管ITER计划采用了最先进的设计,综合了以往的经验和成果,比如采用全超导技术,但它的确还面临重重挑战.即使它能如期在2013年如期建成,这个10层楼高的庞大机器能否达到预期目标也还是个未知数.诸如探索新的加热方式与机制为实现聚变点火,改善等离子体的约束性能,反常输运与涨落现象研究等前沿课题,偏滤器的排灰、大破裂的防御、密度极限、长脉冲H-模的维持、中心区杂质积累等工程技术难关还有待于各国科技工作者群力攻关.即使对ITER的科学研究真的成功了,聚变发电站至少还要30～50年以后才能实现.
尽管如此,我们还是看到了人造太阳露出的晨曦.