漫话核聚变发电（1）
胡经国
一、核聚变发电概述
核聚变发电（Nuclear Fusion Power），是一种利用原子核聚变反应产生热能，然后利用其热能发电的核物理技术。它是21世纪正在研究中的重要高新技术，主要是把核聚变燃料加热到1亿摄氏度以上高温，让它产生核聚变反应，然后利用其热能发电。
与核裂变相比，热核聚变不但资源无限而且易于获得，其安全性也是核裂变反应堆无法与之相比的。核聚变发电的最终实现还需很长的时间。
下图为核聚变发电概述图（图源：网络）。
核聚变发电基本信息如下：
中文名：核聚变发电
外文名：Nuclear Fusion Power
技术：核聚变
领域：能源
学科：核物理、核工程
出现时间：21世纪
二、核聚变发电介绍
核聚变，又称为核融合、融合反应或聚变反应，是指将两个较轻的原子核聚合成一个较重的原子核和一个很轻的原子核（或粒子）的一种核反应形式。两个较轻的原子核在聚合过程中因发生质量亏损而释放出巨大的能量。两个较轻原子核在发生聚变时因它们都带正电荷而彼此排斥；然而两个“能量足够高”的较轻原子核迎面相遇，它们就能相当紧密地聚合在一起，以致于核力能够克服库仑斥力而发生核反应，这种核反应就叫做核聚变。
核聚变是较轻原子核（主要是氢的同位素氘和氚）聚合成较重原子核，同时释放出巨大能量的核反应过程，太阳发光发热和氢弹爆炸就是基于这样的原理。
核聚变能的特点是：核聚变反应释放出巨量的能量（1升海水中的氘通过核聚变反应可以释放出相当于300升汽油燃烧释放出的能量）；核聚变燃料资源丰富（地球上海水中所含的氘，如果用于氘—氘聚变反应可供人类利用上亿年，而用于产生氚的锂也拥有比较丰富的储量）；核聚变的反应产物是比较稳定的氦。由于其固有的安全性、环境的优越性、燃料资源的丰富性，核聚变能被认为是人类最理想的洁净能源之一。
早在20世纪50年代初，人类就实现了核聚变反应，这就是氢弹爆炸。它是依靠原子弹爆炸时形成的高温高压，使得热核燃料氘和氚发生核聚变反应，释放出巨大的能量，形成强大的破坏力。但是，氢弹瞬间的猛烈爆炸是无法控制的。要把核聚变时释放出的巨大能量用于社会生产和人类生活，必须对剧烈的核聚变反应加以控制。因此，实现受（可）控热核聚变一直是科学家们的梦想。
核聚变反应堆，是指一种满足核聚变条件从而利用其能量的装置。从目前看，实现核聚变有以下两种方式：一种方式是使用“托卡马克装置”实现。“托卡马克装置”是一种环形装置，通过约束电磁波驱动，创造氘和氚实现聚变反应的环境和超高温，实现对核聚变反应的控制。另一种方式是通过高能激光实现。第一种方式已于20世纪90年代初实现，目前正在进行工程设计。第二种方式已接近突破的边缘。由于核聚变是在极高的温度下完成的，因而又常常称其为“热核反应”。以下所讨论的均以第一种方式为基础进行。
三、实现受控热核聚变反应的条件
要实现受（可）控热核聚变反应，必须满足以下两个苛刻的条件：
1、极高的温度
要使两个原子核发生聚变反应，必须使它们彼此靠得足够近，达到原子核内核子与核子之间核力的作用距离；此时核力才能将它们“聚合或粘合”成整体，形成新的原子核。由于原子核都带正电，因而当两个原子核靠得越来越近时，它们之间的静电斥力也越来越大。静电斥力又称为“静电势垒”，它像一座高山一样将两个轻核隔开。据实验资料估计，要使两个氘核相遇，它们的相对速度必须大于每秒1000公里。此时，单个氘核具有巨大的动能，对于一团氘核整体而言，则具有极高的温度。当两个氘核产生聚变反应时，温度必须高达1亿摄氏度。当氘核与氚核之间发生聚变反应时，温度也必须达到5000万摄氏度以上。这种在极高温度下才能发生的核聚变反应，由称为“热核反应”。在如此高温下，物质已全部电离，形成“高温等离子体”。
2、充分的约束
充分的约束，是指“将高温等离子体维持相对足够长的时间”，以便充分地发生核聚变反应，释放出足够多的能量，使核聚变反应释放的能量大于产生和加热等离子体本身所需的能量及其在此过程中损失的能量。这样，利用核聚变反应释放出的能量就可以维持所需的极高温度，无需再从外界吸收能量，核聚变反应就能够自持进行。表征这个概念的科学术语叫做“聚变点火”。要实现“聚变点火”，必须达到“一定的约束时间”。约束时间与密度相关，密度大，单位时间里参加反应的原子核较多，释放的能量也较多，必要的约束时间相应较短。反之，约束时间必须较长。英国科学家劳逊在20世纪50年代，详细研究了实现“聚变点火”必须满足的条件（点火条件，又称为“劳逊条件”或“劳逊判据”）；它是温度T和“约束时间τ跟密度n乘积”的函数。从对高温粒子的约束方式看，目前有“磁约束”和“惯性约束”两种。
（未完待续）
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