新能源:磁約束核聚變

2020-11-22 陽光高考

日前，中國科技大學宣布，我國首臺大型反場箍縮磁約束聚變實驗裝置(KTX)各系統的部件研製建造工作全面完成，進入裝置的最後整體安裝調試階段。從核裂變到核聚變，科學家們始終在尋找最清潔的能源。

早在1942年12月2日，美國物理學家E·費米在芝加哥大學校園內一個球場上建成了世界第一個核反應堆。由此，人類開創了釋放核能的新時代。1954年蘇聯建成了世界上第一座和平運用的核電站——奧布林斯克核電站，開創了民用核電的先聲。六十年後的今天，核裂變發電以其穩定高效、不產生溫室氣體等優勢備受世人青睞。根據國際原子能機構2011年1月公布的數據，全球正在運行的核電機組共442個，核電發電量約佔全球發電總量的16%。

現今普遍建造和使用的核反應堆都是基於重核裂變的原理。重核裂變是用亞原子的粒子撞擊重原子(主要是鈾或鈽原子)靶核，引起撞擊後的靶核分裂成一些碎片，其中包括兩三個中子。這些中子又會撞上其他的重原子，使之繼續分裂並釋放更多的中子。如果有足夠多的重原子在一個足夠小的空間中，那麼這個過程就會滾雪球一般呈鏈式發生。以鈾235為例，經過40個回合的鈾原子分裂，所釋放的能量可以把一個白熾燈泡點亮大約1秒鐘;80個回合(這僅是鏈式反應開始後的瞬間)所釋放的能量將超過1萬噸TNT炸藥爆炸時的能量。

然而科學家們並不滿足。他們一直在考慮，能不能實現可控核聚變，讓我們能夠獲得源源不斷的清潔能源?一般情況下，帶正電的原子核是相互排斥的。倘若原子足夠熱，原子核運動的速度足夠快，那麼即便原子核之間的庫侖力也無法阻止它們的撞擊。撞擊之後所形成的新原子要比撞擊之前兩個原子質量之和小，撞擊過程中失蹤的那部分質量將可轉化為能量。太陽內氫、碳、氮等原子正是處於高溫等離子體狀態下，通過氫-氫循環和碳-氮循環進行聚變反應產生巨大能量。

所謂高溫等離子體，是指在高溫狀態下，原子被剝奪的外層電子及帶正電離子組成的離子化氣體狀物質，被視為是除去固、液、氣外物質存在的第四態。雖然掌握了核聚變的發生原理，但要人為地在地球上實現持續不斷的穩定核聚變反應還有一些亟待解決的問題。除要把原子加熱到太陽般甚至更高的溫度形成高溫等離子體之外，地球上也沒有如太陽的巨大引力，讓等離子體聚合在一起形成微妙的平衡臨界點上持續進行聚變。

倘若把高溫等離子比作普羅米修斯盜取的「天火」，人類若想操控運用「天火」，就必須把它裝在一個容器裡，且維持不斷燃燒。這個道理正如同太陽用引力約束等離子體維持核聚變反應一般。然而，核聚變等離子體溫度如此之高，任何實物容器都無法承受。科學家們知道帶電粒子在磁場下的運動規律，發明了「環形磁籠」。「環形磁籠」就是利用圍成一圈的線圈通電所產生的強大環形磁場，將高溫等離子體裝起來。這就是所謂磁約束核聚變。在這種約束條件下，通過實現等離子體的點火和自持燃燒，以聚變產生的能量來維持聚變反應，才能保證整個核聚變以受控的、持續的方式開展。

反場箍縮磁約束聚變實驗裝置的原理也是如此。據介紹，反場箍縮是有別於託卡馬克、仿星器位形的另一類環形磁約束聚變裝置，是先進磁約束聚變位形探索研究的重要平臺。反場箍縮最重要的特點是約束等離子體的磁場是由等離子體內部電流所產生，具有純歐姆加熱達到聚變點火條件、高質量功率密度等優勢，是未來磁約束反應堆位形的候選方案。正在建設的KTX裝置大半徑1.4米，小半徑0.4米，磁場可達7千高斯，等離子體電流可達1兆安培，電子溫度可達600萬度，放電時間可達100毫秒。磁體系統由24個縱場線圈、26個歐姆場線圈、12個平衡場線圈以及136個反饋控制線圈組成，最大線圈直徑達7米。KTX裝置主機總體直徑8米，通高6米，總重量超過70噸。

國際上，集合了中、美、俄、日、韓、印度、歐盟等多國科技力量的「國際熱核聚變實驗反應堆」(ITER)正在研究建造中。當今世界正處在通向受控核聚變能源應用的路上。不久的將來，原型示範堆將實現運行。到那時候，人們將以更易得的燃料，獲得源源不斷的清潔能源。(王尋璕 中國科學技術大學)

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