日期:2022/09/18   IAE

 

核融合聚變反應堆

聚變反應堆，也稱為聚變發電廠或熱核反應堆，一種利用核反應堆釋放的能量產生電能的裝置。核聚變反應。使用核聚變反應發電仍然是理論上的。

 

自 1930 年代以來，科學家們已經知道太陽和其他恆星通過核聚變產生能量。他們意識到，如果可以在地球上以可控的方式複制聚變能量的產生，它很可能會提供一種安全、清潔和取之不盡的能源。1950 年代開始了全球範圍內開發聚變反應堆的研究工作。本文描述了這一持續努力的重大成就和前景。

 

一般特徵

聚變反應堆中的能量產生機制是兩個輕原子核的結合。當兩個原子核融合時，少量的質量轉化為大量的能量。能量 ( E ) 和質量 ( m ) 通過愛因斯坦的關係E  =  m c 2與大轉換因子c 2相關，其中c是光速（約 3 × 10 8米每秒，或 186,000英里每秒）。質量也可以通過核裂變轉化為能量，重原子核的分裂。這種分裂過程用於核反應堆。

 

聚變反應被稱為庫侖力的電排斥力抑制，它作用於兩個帶正電的原子核之間。為了發生聚變，兩個原子核必須以高速相互接近，以克服它們的電排斥並獲得足夠小的分離（小於萬億分之一厘米），以便短程強力占主導地位。為了產生有用的能量，大量的原子核必須經過聚變；也就是說，必須產生融合核的氣體。在極高溫度的氣體中，平均原子核包含足夠的動能以進行聚變。這種介質可以通過將普通氣體加熱到超過電子從原子中被撞出的溫度。結果是由自由負電子和正原子核組成的電離氣體。這種電離氣體在等離子態，物質的第四態。宇宙中的大部分物質都處於等離子體狀態。

實驗聚變反應堆的核心是高溫等離子體。核聚變發生在原子核之間，電子的存在只是為了保持宏觀電荷中性。等離子體的溫度約為 100,000,000 開爾文（K；約 100,000,000 °C 或 180,000,000 °F），是太陽中心溫度的六倍多。（聚變反應堆中遇到的較低壓力和密度需要更高的溫度。）等離子體通過輻射、傳導等過程損失能量和對流，因此維持熱等離子體需要聚變反應添加足夠的能量來平衡能量損失。為了達到這種平衡，等離子體密度與其能量限制時間（如果沒有被替換，等離子體失去其能量所花費的時間）的乘積必須超過一個臨界值。

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包括太陽在內的恆星由通過聚變反應產生能量的等離子體組成。在這些天然聚變反應堆中，等離子體被巨大的引力場限制在高壓下。不可能在地球上組裝出足夠大以被引力限制的等離子體。對於地面應用，有兩種主要的受控聚變方法——即，磁約束和慣性約束。

在磁約束中，低密度等離子體被磁場長時間約束。等離子體密度約為每立方米 10 21個粒子，比室溫下的空氣密度低數千倍。能量限制時間必須至少為一秒，即等離子體中的能量必須每秒更換一次。

 

在慣性約束中，不會嘗試將等離子體限制在等離子體分解所需的時間之外。能量限制時間只是融合等離子體膨脹所需的時間。僅受其自身慣性的限制，等離子體僅能存活大約十億分之一秒（一納秒）。因此，該方案中的收支平衡需要非常大的顆粒密度，通常每立方米約 10 30 個顆粒，這大約是液體密度的 100 倍。一個熱核彈是慣性約束等離子體的一個例子。在慣性約束髮電廠中，極端密度是通過用激光或激光壓縮毫米級固體燃料顆粒來實現的。粒子束。這些方法有時被稱為激光聚變或粒子束聚變。

 

最難實現的聚變反應結合了氘核（氘原子核）氚核（氚原子的核）。兩個原子核都是氫原子核的同位素，都含有一個正電荷單位。因此，氘氚 (DT) 聚變要求原子核具有比更高電荷、更重原子核聚變所需的更低的動能。該反應的兩種產物是能量為 350 萬電子伏特(MeV) 的α 粒子（氦原子核）和能量為 14.1 MeV 的中子（1 MeV 是約 10,000,000,000 K 溫度的能量當量）。沒有電荷的中子不受電場或磁場的影響，可以逃離等離子體，將其能量儲存在周圍的材料中，例如鋰。鋰“毯子”中產生的熱量然後可以通過傳統方式轉換為電能，例如蒸汽驅動的渦輪機. 與此同時，帶電的 α 粒子與氘核和氚核（通過它們的電相互作用）碰撞，並可以被磁性限制在等離子體中，從而將它們的能量轉移到反應核中。當這種重新沉積到等離子體中的聚變能量超過等離子體損失的功率時，等離子體將自我維持或“點燃”。

 

雖然氚不會自然產生，但當 DT 聚變反應產生的中子被周圍的鋰覆蓋層捕獲時，就會產生氚和 α 粒子。然後將氚核反饋到等離子體中。在這方面，DT 聚變反應堆是獨一無二的，因為它們使用廢物（中子）來產生更多燃料。總體而言，DT 聚變反應堆使用氘和鋰作為燃料，並產生氦作為反應副產物。氘很容易從海水中獲得——大約每 3,000 個水分子中就有一個含有氘原子. 鋰也很豐富且價格低廉。事實上，海洋中的氘和鋰足以滿足世界數十億年的能源需求。以氘和鋰為燃料，DT 聚變反應堆將成為一種取之不盡用之不竭的能源。

 

一個實用的聚變反應堆也將具有幾個有吸引力的安全和環境特徵。首先，聚變反應堆不會釋放伴隨化石燃料燃燒的污染物——尤其是導致全球變暖的氣體。其次，由於聚變反應不是鍊式反應，聚變反應堆不會像裂變反應堆那樣發生失控的鍊式反應或“熔毀” 。聚變反應需要受限的熱等離子體，等離子體控制系統的任何中斷都會使等離子體熄滅並終止聚變。第三，聚變反應的主要產物（氦原子）沒有放射性. 儘管一些放射性副產品是通過吸收周圍材料中的中子而產生的，但由於存在低活化材料，因此這些副產品的半衰期短得多，並且比核反應堆的廢物毒性低。這種低活化材料的例子包括特殊鋼或陶瓷複合材料（例如，碳化矽）。