第五百零九章 可控核聚变(第 2/2 页)

    也就是说，氢弹爆炸这就是不可控的核聚变，而人类需要的乃是可以控制的核聚变，相比于核裂变，核聚变有着更多的优势，而且不会有任何污染物产生，乃是最安全可靠高效的能源！

    而且放出能量的强度，也是核裂变的十倍数十倍以上，只有核聚变才是未来人类的追求！

    而在追求可控核聚变的路上，人类也已经走过了相当漫长心酸艰难的路程，但是距离真的成功，可以生产，还有着遥不可及的漫长距离！

    托卡马克是前苏联科学家于上世纪60年代发明的一种环形磁约束装置。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16兆瓦；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、解决未来具有超导堆芯的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。法国的超导托卡马克tore－supra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120秒条件下，等离子体温度为两千万度，中心密度每立方米1.5x1019，放电时间是热能约束时间的数百倍。

    利用核能的最终目标是要实现受控核聚变。裂变时靠原子核分裂而释出能量。聚变时则由较轻的原子核聚合成较重的原子核而释出能量。最常见的是由氢的同位素氘（读“刀“，又叫重氢）和氚（读“川“，又叫超重氢）聚合成较重的原子核如氦而释出能量。核聚变较之核裂变有两个重大优点。一是地球上蕴藏的核聚变能远比核裂变能丰富得多。据测算。每升海水中含有0.03克氘，所以地球上仅在海水中就有45万亿吨氘。1升海水中所含的氘，经过核聚变可提供相当于300升汽油燃烧后释放出的能量。地球上蕴藏的核聚变能约为蕴藏的可进行核裂变元素所能释出的全部核裂变能的1000万倍，可以说是取之不竭的能源。至于氚。虽然自然界中不存在，但靠中子同锂作用可以产生，而海水中也含有大量锂。

    第二个优点是既干净又安全。因为它不会产生污染环境的放射性物质，所以是干净的。同时受控核聚变反应可在稀薄的气体中持续地稳定进行，所以是安全的。目前实现核聚变已有不少方法。最早的著名方法是“托卡马克“型磁场约束法。它是利用通过强大电流所产生的强大磁场。把等离子体约束在很小范围内以实现上述三个条件。虽然在实验室条件下已接近于成功，但要达到工业应用还差得远。按照目前技术水平，要建立托卡马克型核聚变装置，需要几千亿美元。

    另一种实现核聚变的方法是惯性约束法。惯性约束核聚变是把几毫克的氘和氚的混合气体或固体，装入直径约几毫米的小球内。从外面均匀射入激光束或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸发，受它的反作用，球面内层向内挤压（反作用力是一种惯性力，靠它使气体约束，所以称为惯性约束）。就像喷气飞机气体往后喷而推动飞机前飞一样，小球内气体受挤压而压力升高，并伴随着温度的急剧升高。当温度达到所需要的点火温度（大概需要几十亿度）时，小球内气体便发生爆炸，并产生大量热能。这种爆炸过程时间很短，只有几个皮秒（1皮等于1万亿分之一秒）。如每秒钟发生三四次这样的爆炸并且连续不断地进行下去，所释放出的能量就相当于百万千瓦级的发电站。原理上虽然就这么简单，但是现有的激光束或粒子束所能达到的功率，离需要的还差几十倍、甚至几百倍，加上其他种种技术上的问题。使惯性约束核聚变仍是可望而不可及的。尽管实现受控热核聚变仍有漫长艰难的路程需要我们征服，但其美好前景的巨大诱惑力，正吸引着各国科学家在奋力攀登。

    正式因为可控核聚变有着种种优势，乃是人类根本无法舍弃的新能源。若是可以研究成功，那么根本就不用担心能源问题了，最起码材料方面，可控核聚变比之核裂变有着更广泛的目标。

    而为了实现人类对能源的追求梦想，将这一优势无穷的项目研究出来，各国在漫长的时间之中。做出了辛苦的努力，也得到了一些研究方向。

    为实现磁力约束，需要一个能产生足够强的环形磁场的装置，这种装置就被称作“托克马克装置”——tokamak，也就是俄语中是由“环形”、“真空”、“磁”、“线圈”的字头组成的缩写。早在1954年，在原苏联库尔恰托夫原子能研究所就建成了世界上第一个托卡马克装置。貌似很顺利吧？其实不然，要想能够投入实际使用，必须使得输入装置的能量远远小于输出的能量才行，我们称作能量增益因子——q值。当时的托卡马克装置是个很不稳定的东西，搞了十几年，也没有得到能量输出，直到1970年，前苏联才在改进了很多次的托卡马克装置上第一次获得了实际的能量输出，不过要用当时最高级设备才能测出来，q值大约是10亿分之一。别小看这个十亿分之一，这使得全世界看到了希望，于是全世界都在这种激励下大干快上，纷纷建设起自己的大型托卡马克装置，欧洲建设了联合环-jet，苏联建设了t20（后来缩水成了t15，线圈小了，但是上了超导），日本的jt-60和美国的tftr（托卡马克聚变实验反应器的缩写）。这些托卡马克装置一次次把能量增益因子（q）值的纪录刷新，1991年欧洲的联合环实现了核聚变史上第一次氘－氚运行实验，使用6：1的氘氚混合燃料，受控核聚变反应持续了2秒钟，获得了0.17万千瓦输出功率，q值达0.12。

    1993年，美国在tftr上使用氘、氚1：1的燃料，两次实验释放的聚变能分别为0.3万千瓦和0.56万千瓦，q值达到了0.28。1997年9月，联合欧洲环创1.29万千瓦的世界纪录，q值达0.60，持续了2秒。仅过了39天，输出功率又提高到1.61万千瓦，q值达到0.65。三个月以后，日本的jt－60上成功进行了氘－氘反应实验，换算到氘－氚反应，q值可以达到1。后来，q值又超过了1.25。这是第一次q值大于1，尽管氘-氘反应是不能实用的（这个后面再说），但是托卡马克理论上可以真正产生能量了。在这个大环境下，中国也不例外，在70年代就建设了数个实验托卡马克装置——环流一号（hl-1）和ct-6，后来又建设了ht-6，ht-6b，以及改建了hl1m，新建了环流2号。有种说法，说中国的托卡马克装置研究是从俄罗斯赠送设备开始的，这是不对的，ht6/hl1的建设都早于俄罗斯赠送的ht-7系统。

    ht-7以前，中国的几个设备都是普通的托卡马克装置，而俄罗斯赠送的ht-7则是中国第一个“超脱卡马克”装置。什么是“超脱卡马克装置”呢？回过头来说，托卡马克装置的核心就是磁场，要产生磁场就要用线圈，就要通电，有线圈就有导线，有导线就有电阻。托卡马克装置越接近实用就要越强的磁场，就要给导线通过越大的电流，这个时候，导线里的电阻就出现了，电阻使得线圈的效率降低，同时限制通过大的电流，不能产生足够的磁场。托卡马克貌似走到了尽头。幸好，超导技术的发展使得托卡马克峰回路转，只要把线圈做成超导体，理论上就可以解决大电流和损耗的问题，于是，使用超导线圈的托卡马克装置就诞生了，这就是超脱卡马克。

    目前为止，世界上有4个国家有各自的大型超脱卡马克装置，法国的tore－supra，俄罗斯的t-15，日本的jt-60u，和中国的east。除了east以外，其他四个大概都只能叫“准超托卡马克”，它们的水平线圈是超导的，垂直线圈则是常规的，因此还是会受到电阻的困扰。此外他们三个的线圈截面都是圆形的，而为了增加反应体的容积，east则第一次尝试做成了非圆型截面。此外，在建的还有德国的螺旋石-7，规模比east大，但是技术水平差不多。(未完待续。)