受控熱核聚變
正文
輕電漿核加熱到很高的溫度，以克服原子核之間的庫侖排斥力，使在可控制的條件下，發生大量的原子核聚變反應而釋放出能量的一種核反應過程。1952年到1953年，美、蘇相繼試驗了氫彈，實現了非受控的即爆炸式的熱核聚變。從那時以來，人們一直研究如何實現受控熱核聚變，用來解決人類的能源問題。以下分別說明受控熱核聚變這項開發性研究的一些特點。聚變能源 目前，全世界每年新探明的石油儲量小於當年的開採量，呈現了石油的總危機。煤的儲量比石油豐富。然而，這類化石燃料的資源終究很有限的。目前已知可利用的化石燃料熱值估約100Q(1Q=1.05×102焦耳）,設全球每年消費能量1Q(為目前的5倍)，只敷百年之用。
自從20世紀中葉開始建立裂變原子能電站以來，至今它已發展為成熟的技術。雖然核裂變燃料（鈾）的熱值比碳氫燃料高得多，但是對於有開採價值的鈾礦來說，目前的估計，即使套用增殖堆來增殖燃料，其可利用的熱值總數200Q，也只夠兩個世紀的需要。
因此，有必要發展受控熱核聚變以彌補化石燃料與核裂變燃料將來的短缺。受控熱核聚變的燃料是重氫－氘,它普遍地存在於自然界的水中。重水(D2O)約占水分子數的七千分之一。聚變燃料具有很高的熱值,1公斤氘相當於4公斤的鈾(235U),8600噸汽油，或11000噸煤，也就是1桶水的聚變能抵400桶汽油。全地球水的總聚變潛能為1.5×1010Q,足供人類使用百億年，超過迄今為止的地球的歷史年代。就拿較易實現的氘-氚聚變來說,再生氚所需要的鋰(6Li)也足夠用千年。因此，可以說,受控熱核聚變的實現將為人類提供取之不盡的新能源。目前，就燃料成本說（按熱值計），氘比煤便宜千倍，比石油便宜萬倍。
核聚變與核裂變相比較，除了其燃料無比豐富與價廉之外，還有放射性污染相對地少的優點。聚變過程中的氚雖是放射性元素，但其半衰期比較短（12年），且其放射性低，生物效應也較弱，比起裂變碎片的放射性處理要簡單得多。但經中子撞擊而激活的結構物質，聚變堆與裂變堆中都有，同樣要設定禁止。
除了純聚變反應堆以外，也有可能使用聚變－裂變混合堆,它利用聚變產生的強大的中子流,使裂變堆中的238U或232Th轉換為239Pu或233U,成為有用的裂變燃料。並且14MeV中子也能引起238U裂變的能量輸出倍增效應。它使聚變有增益的條件放寬，較易實現。
熱核聚變 幾種典型的聚變反應為
D+3He—→4He(3.67MeV)+p(14.67MeV)
這裡D即氘,T即氚，p即質子，n即中子。D-D的兩種反應的幾率相等。以純氘為燃料的反應,如果溫度足夠高,上述反應都可發生，則
3D—→4He(3.59MeV)+p(8.85MeV)+n(8.25MeV)+0.915MeV
即每燒掉一個氘核得7.2MeV的能量，其中38％為中子所攜帶,其餘屬於荷電粒子。氘-氚聚變反應的能量的80％由中子攜帶，20％為α粒子（4He核）所攜帶。
用反應截面σ 表征兩個核聚變的幾率，每個射來的核在單位時間內發生反應的次數為nσυ，n為靶中原子核的數密度，υ為相對速度。σ隨相對能量的關係如圖1所示。由圖可見，當能量為數十千電子伏時，σD-T比σD-D大得多，所以最容易實現的是D-T反應。不過T在自然界中非常稀小，要通過中子轟擊鋰而獲得
6Li+n→T+4He+4.8MeV,
7Li+n(+2.5MeV)→T+4He+n。
受控熱核聚變如果反應區內的帶電粒子所獲得的聚變功率密度超過能量損失（包括輻射）功率密度，則電漿溫度繼續上升。兩者相等時，熱核聚變能以穩恆的方式自持地進行，這時的溫度稱為著火溫度；假設僅有輻射而無其他能量損失，相應的溫度稱為起燃點，也就是最低的著火溫度。
純氘堆的產物3He雖是高能的(0.82MeV)，但當電漿溫度不太高時，它通過減速將能量迅速傳給了電漿，致使3He(d，p)4He的反應未能進行完畢，這時荷電粒子獲得的聚變能量為4.19MeV每D-D反應,對於D-D堆，相應的提交電漿的聚變功率密度(W/cm3)為
p挆=3.35×10-13n娭<συ>DD，
同理，對於D-T堆為p挊≈5.64×10-13nDnT<συ>DT，
這裡，< >表示按粒子速度分布取平均。軔致輻射功率密度p嶨主要由電子碰撞離子變速而產生，
在受控聚變領域碰撞輻射頻譜在X 射線範圍，不易被吸收而穿出電漿。然而，迴旋輻射的頻譜卻屬於微波（毫米波），只要電漿尺寸不過分小，則電漿對它有明顯的吸收。迴旋輻射的功率密度
pce≈6.2×10-25B2neTe，
式中B為磁感應強度，以Gs計，Te以keV計。假定T'＝Te＝T,B2/8π＝2nekT並且沒有雜質,則上述四種功率密度可表於圖2。由圖可見,D-T堆起燃點為5keV,純氘堆起燃點為32keV（設迴旋輻射被良好吸收而予以忽略）。
受控熱核聚變
受控熱核聚變
除非常規熱力發電外還可進行部分直接發電，平均效率為ηd。中子在包層中慢化被吸收；對D-T堆要進行氚的增殖,伴隨著能量的釋放；對於聚變－裂變混合堆來說，引起裂變能量倍增及裂變燃料倍增；然後進行熱力發電，其效率為ηt。總的發電功率除作電漿加熱使用以及補償系統消耗功率ps之外便是輸出功率pe。 受控聚變研究的第一步是建立聚變試驗堆，驗證科學可行性。所謂科學可行性就是沒有系統耗電(ps=0)時達到得失相當（pe＝0），這時
(p+pi)ηd+pn(1+M)ηt＝pi/ηi，
純氘堆M=0氘-氚堆M＝4.8/14.05混合堆可估取M≈39。定義能量約束時間τE為 
,
考慮取
，則 η【pi+p+pn(1+M)】＝pi，
的情況。由圖可見，科學可行性上得失相當要求： D-D堆 neτE≥1015s/cm3，T≈50keV，
D-T堆 neτE≥6×1013s/cm3，T≈10keV。
由圖也可見,混合堆降低對neτE的要求約一個量級。如η＝0.136則D-T得失相當與自持條件同。
受控熱核聚變η(3netT/τ+p嶨+pce+pn)＝3netT/τ+p嶨+pce。
所得的neτ值和上述neτE條件差不多（略高）。受控聚變研究的第二步是進一步解決一系列技術問題，以建立經濟實惠、工程可行的聚變實驗動力堆，就是要考慮實際的聚變堆的整個系統的耗電功率ps而能獲得淨的增益(pe>0)。第三步則是建立民用（商用）聚變電站。
受控熱核聚變研究 上述熱核聚變條件表明加熱與約束電漿是受控聚變研究的兩大課題。此研究可劃分為磁約束與慣性約束兩類途徑。磁約束熱核聚變途徑靠歐姆電流加熱或中性束注入與各種射頻波加熱。其高溫高壓電漿的粒子受到磁場所施的洛倫茲力的作用而繞力線迴旋，從而受到約束，使之與容器壁分隔開來。慣性約束聚變途徑則依靠雷射束、電子束或離子束等加熱氘氚靶丸，利用粒子的慣性，在未嚴重飛散之前能進行適度的熱核燃燒。以往30多年的研究已使人們接近於走完前述實現受控熱核聚變的第一步，即磁約束途徑將實現科學上達到的能量得失相當，慣性約束途徑也有可能在20世紀末達到這一目標。
慣性約束聚變 慣性約束聚變可以說是受控制的微型核爆炸，自20世紀60年代初雷射問世以來，人們一直設法使用雷射束，70年代後又考慮用強流相對論性電子束或離子束等高功率短脈衝的射束，集射到球形氘氚靶丸上，使之加熱，表面消融為高溫電漿，並且高速噴射產生強大的反衝力，使之向心爆聚，壓縮到超高密度（為固體的千倍），同時使中心溫度高達點火，由於聚變產生的σ粒子對電漿的自加熱作用使之自持,利用粒子的慣性，在靶丸未嚴重飛散（以聲速）之前的短暫時間（10-10～10-11秒）內達到足夠高的熱核燃燒。
慣性約束熱核燃燒基本要求ρ'r塼3克／厘米或
厘米，式中ρ'為離子密度，ρ'/ρ
為壓縮比，r為點燃的小球半徑，R為壓縮前的初始半徑。壓縮比高則密度高，反應率便高。考慮發電、電→束、束→料的效率分別為ηe、ηd、ηc，總效率為η，能量有增益的條件為 ρ'r塼2.7×10-4E
/η (g/cm2) 式中E
以keV計，為點火時燃料球每個離子的平均的初始能量。考慮σ粒子加熱作用，只要靶中心大小σ粒子射程的區域達到點火溫度,便能把周圍較冷的燃料燃燒。人們估計得失相當要求束能1～10兆焦,功率大於1014瓦,聚焦到幾毫米靶上。 電能轉化為射束能與束－靶耦合的效率以及束的聚焦性是關鍵的問題。雷射束聚焦性好，與靶尚能較好耦合,特別是波長較短的KrF*雷射器與自由電子雷射器,但是電→束轉換效率低（自由電子雷射器除外）。電子束能量大，轉換效率較高，但聚焦性差，脈衝過寬。束－靶耦合不好，壓縮度低。目前粒子束驅動慣性約束方面的研究工作已轉向離子束。離子束與靶最好耦合，但聚焦與脈衝成型是問題。
雷射聚變研究已得到了壓縮比為 100，溫度 500eV的結果，由於效率過低，ηd揥10％，ηc揥5％，當前離得失相當還有一段距離。至於離子束聚變的研究剛剛興起。目前，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室正在研製能量約100千焦，功率1014瓦的代號“Nova”多路釹玻璃雷射器,美國桑迪亞國家實驗室正在研製功率大於1014瓦代號“PBFA-Ⅱ”輕離子束聚變裝置等, 都在朝著科學上實現得失相當的目標前進。
磁約束聚變 受控聚變研究中更廣泛的是磁約束途徑。電漿內的磁場約束荷電粒子,電漿外真空區的磁場可以起到磁墊或磁絕緣層的作用。磁壓強（B2/8π）起到抵禦電漿壓強的作用，例如5萬高斯的磁場的磁壓強約為 100大氣壓。通常定義電漿壓強與磁壓強之比為比壓
，β 高說明所需的磁能較小，則較經濟。然而，β 高更難約束。對電漿受磁約束起破壞作用的有巨觀的和微觀的各種不穩定性以及粒子與能量的各種損失機制。與高密度瞬息間聚變的慣性約束相比較，磁約束則是較低密度（≈1014cm-3）較長時間燃燒的熱核聚變，其脈衝式可達百秒，其穩態式則更長。磁約束聚變為了經濟使用磁場不得不追求相當高的第一壁中子通量密度，招致技術上的困難，而慣性約束則不受此限制。 磁約束聚變研究曾試驗過多種裝置，可歸納為閉式（指磁力線）與開式兩類。迄今前途比較明朗的閉式環形裝置有托卡馬克及仿星器，開式直線裝置有磁鏡。
托卡馬克裝置首先製成於蘇聯（其名為俄文環流磁真空室等字的縮寫）。它利用電磁感應產生的環電流造成的"極向"磁場配合縱向磁場約束電漿,同時,歐姆電流也是加熱的重要手段。1978年美國的PLT裝置首次取得T'≈7keV,ne≈3×1013cm-3,τE≈25ms的結果。1982年美國TFTR裝置及1983年歐洲經濟共同體的 JET裝置相繼投入了運轉,1984年JET達到了T'≈5.5keV,ne≈3×1013cm-3,τE≈0.65s的指標。日本的JT-60裝置和蘇聯的T-15等裝置將陸續啟動。這四大裝置都是托卡馬克，目標是科學可行性上的能量得失相當，其實現指日可待。然而，托卡馬克形態必需的環電流原靠感應產生，由於變壓器的伏秒數有限，托卡馬克被迫作長脈衝運行，這在建堆發電上是不希望的。目前波驅動電流實驗正在為解決此一問題進行探索。其次，托卡馬克存在的危及堆的生存的破裂不穩定性,尚待妥善的解決。此外,托卡馬克的比壓β值稍低及其複雜的環形結構會造成工程上的複雜性。
仿星器裝置起源於美國，它借外導體的電流產生的極向磁場配合縱向磁場約束電漿。它不像托卡馬克那樣依靠感應產生環電流,因此是穩態運行,而且沒有破裂不穩定性。不過,它運行的β值比托卡馬克的(<5％)還要低。50年代美國的仿星器實驗具有玻姆擴散損失，然而70年代聯邦德國的W-Ⅶ裝置卻取得了類似托卡馬克的約束性質。在80年代仿星器研究得到了進一步的發展。
磁鏡裝置的磁場線圈繞在直管上，兩端的磁場比中間的強。由於粒子磁矩守恆，當它運動到強場處，軸向速度減慢而增加垂向速度，除少數速度矢量接近平行磁軸的粒子逃逸之外，多數粒子被反射回中央區域，“磁鏡”因此而得名。簡單磁鏡出現“槽紋交換不穩定性”，破壞約束。1961年蘇聯創造了用約飛棒進行穩定化的方法，隨後出現了多種“極小B”磁鏡位形。1976年美國2XⅡB裝置取得了進一步的成果。接著提出的串聯磁鏡的方案，利用中性束注入長螺管中心室外兩端塞在電漿內建立電位峰，以減少離子的軸向逃逸。磁鏡是穩態的聚變裝置，預期β值較高,且結構簡單,這些都是它比托卡馬克裝置優越的地方。然而，它的軸向堵漏的研究開展未久，參與建堆的競爭是未來的事情。
磁約束聚變實現科學可行性上能量得失相當之後，研究的第二步卻是不能輕而易舉地完成的。第一壁要經受強的中子輻照，這方面迄今尚沒有足夠的經驗，預期是困難的任務。此外，要能供給聚變堆系統的耗電而有淨的輸出,勢必要求有比勞孫判據更高的neτE及T值,也就是要求增益係數Q＝(p±+pn)/p'有約大於10的值。磁約束聚變概念堆的橫截面,如圖5所示，它由堆芯高溫電漿及其外的真空壁、包層及磁場線圈所構成。主衰減層起到倍增中子（混合堆）、吸收中子、增殖氚及熱傳輸等作用。
受控熱核聚變作為磁約束聚變研究的第二步，國際原子能協會籌劃了INTOR（國際托卡馬克堆）裝置的設計,同時美國亦進行了類似的 FED（聚變工程試驗裝置）的設計。它們的目標是在工程上達到：除自供實際的系統耗電功率ps下略有輸出（pe≥0）。然而,這些都是托卡馬克型裝置，在今後若干年內，磁約束新途徑乃至慣性約束途徑勢必參與建堆候選者的競爭。未來的實用聚變堆，必將出現各種型式。
無論是磁約束還是慣性約束途徑，在研究過程中一方面要在各種裝置上進行物理實驗，另一方面又要進行大量的電漿物理理論的研究。在受控聚變研究前進途中還存在著一系列的工程技術問題，諸如：電漿診斷技術,波加熱與中性束注入加熱技術，射束技術,超導技術，第一壁材料抉擇，氚處理工藝、增殖包層設計，靶丸設計和遠距離控制等等。這些技術問題的完滿解決，會有助於聚變電站的早日實現。
