与其他能源相比，核聚变反应堆有几项显著的优点，因而一直备受媒体的关注。它们的燃料来源十分充足，辐射泄漏也处于正常范围之内，与目前的核裂变反应堆相比，其放射性废物更少。

然而迄今为止，还没有人将这一技术应用到实践中，但建造这种反应堆实际上已为期不远。目前，核聚变反应堆正处于试验阶段，世界各个国家及地区的多个实验室都开展了这项研究。

建立ITER核聚变反应堆工厂的建议地点——法国卡达拉什

美国、俄罗斯、欧洲和日本经过协商，建议在法国卡达拉什建立一座名为国际热核试验堆（ITER）的核聚变反应堆，旨在研究通过持续核聚变反应来发电的可行性。在本文中，我们将介绍关于核聚变的知识，并了解ITER反应堆的工作方式。

核聚变物理学：反应

核聚变的能量是通过两个原子合并为一个原子而产生的。在核聚变反应堆中，氢原子发生聚变，进而形成氦原子、中子，并释放巨大的能量。氢弹和太阳的能量就是靠这种反应提供的。与核裂变相比，核聚变所产生的能量更加清洁、安全、高效，其能量来源也更为丰富。

核聚变反应分为多种类型。其中大多数都涉及氢的同位素氘和氚：

• 质子－质子链——这一序列是太阳等恒星中最主要的核聚变反应模式。
  1. 两对中子形成两个氘原子。
  2. 每个氘原子与一个质子结合，生成一个氦3原子。
  3. 两个氦3原子结合，生成不稳定的铍6。
  4. 铍6衰变为两个氦4原子。

     这些反应会生成高能粒子（质子、电子、中子、正电子），并放出辐射（光线、伽马射线）。

• 氘－氘反应——两个氘原子结合，生成一个氦3原子和一个中子。

     氘－氚反应——一个氘原子和一个氚原子结合，生成一个氦4原子和一个中子。其中大部分能量以高能中子的形式释放。
　　从概念上讲，利用反应堆中的核聚变十分容易。但为了让这一反应以可控、无害的方式进行，科学家们历经周折。为了了解其中的缘由，我们需要先看一下发生核聚变的必要条件。

发生核聚变的条件

当氢原子聚合时，它们的原子核必须结合在一起。然而，由于每个原子核中的质子都带有相同的电荷（正电），因而会互相排斥。如果您曾试着将两块磁铁放在一起并感到它们互相推开，则意味着您已亲身体验了这一原理。

若要实现核聚变，需要创造一些特殊的条件来克服这种排斥力。下面是发生核聚变的一些必要条件：

• 高温——高温可为氢原子提供足够的能量，以克服质子之间的电荷排斥。
  • 核聚变需要的温度约为1亿开（约是太阳核心温度的六倍）。
  • 在这样的高温下，氢的状态为等离子体，而不是气体。等离子体是物质的一种高能状态，其中所有电子都从原子中剥离出来，并可以自由移动。
  • 太阳的高温是由重力压缩核心的巨大质量而产生的。我们要制造出这样的高温，就必须利用微波、激光和离子粒子的能量。
• 高压——压力可将氢原子挤在一起。氢原子之间的距离必须在1x10^-15米以内，才能进行聚合。
  • 太阳利用其质量和重力将核心内的氢原子挤压在一起。
  • 我们要将氢原子挤压在一起，必须使用强大的磁场、激光或离子束。

借助目前的技术，我们只能实现发生氘－氚聚变所需的温度和压力。氘－氘聚变需要的温度更高，这种温度有可能在将来实现。基本上，利用氘氘聚变会更加方便，因为从海水中提取氘比从锂中提取氚要更加容易。另外，氘不具有放射性，而且氘氘反应可释放更多的能量。
　　

核聚变反应堆：磁约束
　　有两种方法可实现发生氢聚变所需的温度和压力：

• 磁约束使用磁场和电场来加热并挤压氢等离子体。法国的ITER项目使用的就是这种方法。
• 惯性约束使用激光束或离子束来挤压并加热氢等离子体。在美国劳伦斯利弗莫尔实验室的国家点火设施中，科学家们正在对这种试验方法展开研究。

我们首先探讨磁约束。其工作原理如下：

加速器释放出微波、带电粒子束和中性粒子束，用于加热氢气的气流。在高温下，氢气从气态变为等离子体。这种等离子体受到超导磁体的挤压，进而发生聚变。在用磁场约束等离子体时，最有效的磁体形状是面包圈形（即环形）。

等离子体环形室

采用这种形状的反应堆称为Tokamak。ITER Tokamak是一个独立式反应堆，其部件都装在不同的盒子中。进行维护时，工作人员可以方便地插入和拔出这些盒子，而不必拆开整个反应堆。该Tokamak的等离子体环形室将采用2米的内半径和6.2米的外半径。

磁约束：ITER示例

ITER Tokamak反应堆的主要组件包括：
　　

ITER Tokamak

• 真空室——用于盛放等离子体，并将反应室置于真空中
• 中性束注入器（离子回旋系统）—— 将加速器释放的粒子束注入等离子体中，以便将等离子体加热到临界温度
• 磁场线圈（极向环形）——用磁场来约束、定型和抑制等离子体的超导磁体
• 变压器/中央螺线管——为磁场线圈供电
• 冷却设备（冷冻机、低温泵）——用于冷却磁体
• 包层模块——由锂制成，用于吸收核聚变反应中的热量和高能中子
• 收集器——排出核聚变反应中的氦产品

下面是磁约束核聚变过程的作用机制：


磁约束核聚变过程

1. 核聚变反应堆加热氘和氚燃料的气流，使之形成高温的等离子体。接下来，反应堆对等离子体施加压力，继而发生聚变。
   • 启动核聚变反应所需的电能约为70兆瓦特，但该反应生成的电能约为500兆瓦特。
   • 核聚变反应将持续300到500秒（最终将形成持续的核聚变反应）。
2. 等离子体反应室外部的锂包层将吸收核聚变反应中释放的高能中子，从而产生更多的氚燃料。在高能中子的作用下，这些包层也会被加热。
3. 水冷回路将热量转移至热交换器，最终形成蒸气。
4. 蒸气驱动电涡轮发电。
5. 蒸气将被重新压缩成水，以便让热交换器吸收反应堆中的更多热量。

起初，ITER Tokamak将测试建造持续核聚变反应堆的可行性，其最终将变为一座测试核聚变发电厂。

　　核聚变反应堆：惯性约束

在美国劳伦斯利弗莫尔实验室的国家点火设施（NIF）中，科学家们正在试验用激光束来诱发聚变。在NIF设备中，192条激光束将聚焦于一个直径为10米的靶室上的一点，这个靶室称为黑体辐射空腔。根据科学和工程百科全书，黑体辐射空腔是指“腔壁与腔内的辐射能量达到平衡的腔”。
　　

惯性约束核聚变过程

在靶室内部的焦点上，将有一个豌豆大小的氘－氚粒状物，其外侧包有一个小型塑料圆筒。激光的能量（180万焦）将加热圆筒，并生成X射线。 在高温和辐射的作用下，粒状物将转化为等离子体，且压力不断升高，直至发生聚变。核聚变反应寿命很短，大约只有百万分之一秒，但它释放的能量是引发核聚变 所需能量的50到100倍。在这种类型的反应堆中，需要相继点燃多个目标，才能产生持续的热量。据科学家估计，每个目标的成本可控制在0.25美元左右， 从而大大降低了核电厂的成本。

核聚变点火过程

与磁约束核聚变反应堆类似，惯性约束核聚变中的能量也将被转移至热交换器生成蒸气，进而通过蒸气来发电。

核聚变的应用
核聚变的主要应用是发电，它可为后代提供安全、清洁的能源，与目前的核裂变反应堆相比，它具有以下几个优点：

• 燃料供应充足——氘可直接从海水中提取，大量的氚可从核反应堆本身的锂中获得，而锂又广泛存在于地壳中。核裂变所需的铀非常稀少，必须经过开采和浓缩后才能用于反应堆。
• 安全——与核裂变反应堆相比，核聚变所需的燃料较少。这样便避免了不可控的能量释放。与人类生存的自然界相比，大多数核聚变反应堆释放的辐射并不算多。
• 清洁——核电厂（无论是裂变还是聚变）不靠燃烧发电，不会造成空气污染。
• 核废物更少——核聚变反应堆不像核裂变反应堆那样会生成大量的核废物，因而处理起来会更加容易。另外，核裂变所产生的废物属于武器级的核材料，而核聚变的废物则没有这样的危险。

目前，NASA正在研制一种小型的核聚变反应堆，用于为深空火箭提供动力。核聚变推进器具有无限的燃料供应（氢），其效率更高，可令火箭飞得更快。