相比核裂变, 核聚变有两大优点: (1) 不会产生
长寿命和高放射性的核废料, 也不产生温室气体, 因
此基本不污染环境; (2) 地球上蕴藏的核聚变能远比
核裂变能丰富得多。据估算, 每升海水中含有0.03 g
氘, 所以地球上仅在海水中就有45万亿吨氘。1 L海
水中所含的氘, 经过核聚变可提供相当于300 L汽油
燃烧后释放出的能量。按目前世界能量的消耗率估
计, 地球上蕴藏的核聚变能可用100亿年以上。因此
从原理上讲, 聚变能可以成为人类取之不尽、用之不
竭的能源。
图1“国际热核聚变实验堆”（ITER）计划（图片来源于网络）
目前人类还没有掌握控制聚变过程的技术, 为此世界发达国家不断投入大量的人力、物力和财力进行核聚变能研究和开发。 然而, 可控核聚变的实现在工程上是非常困难的事情。
可控聚变反应和可控裂变反应的研究都是从20世纪50年代初开始的, 时至今日, 核裂变反应堆或发电厂早已普及, 而可控核聚变的和平利用却无一实现。
由欧盟、中国、美国、日本、韩国、俄罗斯和印度7方共同参与的, 为期30年, 耗资100亿欧元的国际热核聚变实验堆(international thermonuclear experimental reactor, ITER，图1)计划, 至今尚未取得获取聚变能的实质性成果。
图2显示的是几个聚变反应的反应几率(以截面为
单位)随入射粒子能量(以千电子伏特为单位)的关系。可以看出, 氘-氚聚变是最容易实现的, 也是以目前的技术水平来说最现实的选择。即便这样, 要实现聚变过程, 也需要把氘-氚混合气体(等离子体)的温度加热到上亿度, 并维持一定的等离子体密度足够的时间。但要维持这样高的温度, 靠普通的容器约束是无法进行的, 因此必须采用新方法。
几十年来对核聚变的研究, 主要沿着磁约束和惯性约束两大途径进行。
磁约束是利用强磁场对高温等离子体进行约束,
通过构造特殊的磁容器, 将聚变材料加热至数亿摄
氏度并维持一定的等离子体密度, 实现聚变。这一技
术方向的聚变能研究已经取得了重大进展, 其中以
托克马克类型的磁约束研究为典型代表, 达到了建
立像ITER这样的实验堆的阶段。
惯性约束与磁约束不同。惯性约束实际上对等
离子体不加约束, 而是利用粒子的惯性, 在它们来不
及散开之前就发生聚变反应, 以取得足够的能量。国
际上包括美国、法国、中国等在内的国家都在这方面
开展了许多工作。但是美国的国家点火装置(National
Ignition Facility, NIF)目前没有达到预期的点火目
标, 一定程度上影响了人们对这一途径的信心, 而离
建造能够发电的电厂则有更遥远的路要走。
图2 常见的几个聚变反应截面
以目前人类的技术水平, 只能实现基于氘-氚聚
变的第一代聚变堆建设。虽然地球上的氘资源是“无
限”的, 但是却没有氚资源, 因此氚是靠中子与锂-6
(6Li)反应生产出来的, 这就涉
及了锂资源的问题。 此外, 产氚需要中子, 为了使聚
变能够持续进行, 需要聚变堆在运行的同时, 不断地
生产足够的氚, 用于补充反应掉的氚, 即需要一整套
复杂的氚产生及在线处理系统。这不仅要求充分利
用氘-氚反应产生的中子, 还需要对中子进行增殖,
以保证有足够的氚增殖系数。因此, 聚变堆需要用
到大量的中子增殖材料, 如铍、铅等, 但是这些资源
并不是无限的。Bradshaw等人曾对这些因素进行过
研究, 他们假设到2050年, 人类的用电量比2007年翻
一番, 其中聚变堆发电量占30%, 则需要2760个
1 GWe的聚变电站。这样每年需消耗806 t的锂-6, 初
始装料至少需要9940 t, 已知的现有锂资源可维持
3540年。 对于铍的用量, 每年消耗524 t, 初始装料需
331000 t, 而目前已知的铍储量只有约80000 t, 即现
有的铍储量已经不够这么多电站的初始装料。如果
用铅作为中子增殖剂, 则情况会好很多, 每年消耗约
8560 t, 初始装料为11.3 Mt
,
目前的储量可以维持
175000年。以上这些资源的估算只考虑聚变电站的
使用, 没有考虑这些资源别的用途, 也没有考虑这些
资源开采的难度和成本。
聚变能要成为人类可大规模利用的能源, 除了
技术可行性和安全性之外, 还需要把成本控制得足
够低才有竞争力。 因此核聚变是否能成为人类能源
需求的终极供应者, 目前似乎还无法给出肯定的答
案。ITER自2010年开始建造以来, 由于各种技术、合
同及资金问题, 该项目的进展一再推迟。现在ITER
组织希望在2020年开始实验, 2027年开始注入氘和氚
燃料, 而氘和氚燃料的实验需要进行约10年之久, 之
后才有可能进行示范堆及商业堆的建造。因此人类
掌握核聚变之路依然漫长。
值得关注的是,
Science
于2015年8月24日报道了
位于美国加州的聚变能研究公司Tri Alpha最近取得了
可控聚变的新突破
,
有望在ITER采用的大型托克马克装置之外
为可控核聚变能利用找到更为经济的技术路线。 他
们使用的聚变燃料是氢-硼等离子体, 达到聚变的温
度需要30亿摄氏度, 这意味着更加困难的技术挑战。
之所以选择氢-硼作为聚变燃料是因为其聚变反应中
不会释放中子, 而只产生3个
α
粒子, 更适用于聚变能的商业利用, 这也是公司命名为Tri Alpha的原因。虽然很多人对这一成果质疑, 但依然获得了美国学术界及企业界的广泛关注。
来源：科学通报
编辑：yangfz
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