漫话核聚变发电（2）
胡经国
（续前）
四、核聚变与核裂变比较
1、优点
⑴、核聚变反应的放能效率极高
放能效率，是指单位质量的燃料所能产出的能量。
核聚变反应将质量转化为能量。根据爱因斯坦著名的质能方程
E=mc2
可知，很小的质量转化为巨大的能量。所以，核聚变反应的“放能效率”极高。
⑵、不产生核辐射和核废料
不产生核裂变所出现的长期和高水平的核辐射，不产生核废料。
就反应物及产物的放射性而言：作为反应物的氘和锂，以及作为反应产物的氦4He（即：He-4）都是没有放射性的。虽然反应物氚是有放射性的，但是它的半衰期相对而言很短。
氚对人体的危害主要是吸入人体后的内辐照。氚的半衰期为12.3年的β-辐射，每公斤氚的放射性为9.7×106（？）居里，平均辐射能量为5.7keV。
在核聚变堆中氚的释放途径有：事故释放；维修操作和运行中的泄漏；由于氚通过管壁和容器的渗透力很强，因而可引起氚的漏失。
如果采用“三级大气氚控制”，那么从核聚变堆大厅释放到环境中的氚可控制到小于1居里/天。概率分析结果表明，在假象事故态时，释放到核聚变堆大厅的氚为10×106（？）居里。在FEB和ITER中的氚均为3kg左右，在停堆时刻，包层中氚的总放射性为3.3×107居里。
⑶、原料丰富而且分布广泛
核聚变发电所需要的直接燃料是氘和氚。由于1g氘可以产生3×1011J的电能，因而要提供当前世界上所有的能量消耗（相当于每年3×1012亿J）将需要每年1000吨的氘。氘是很容易获得的，因为每6700份水中就有1份是氘。如果考虑到所有的海水，那么有总量超过1015吨的氘，足可以近乎于无限地提供我们所需要的能量。氘可以采用电解水的方法直接从水中提取，成本很低。
然而，氚在地球上并不天然存在；因为它是半衰期为12.3年的放射物。所以，作为一种燃料，氚只能通过人工制造得到。最方便的产氚方式是中子和锂的反应。目前，有足够的锂资源可以至少维持几万年。
所以，核聚变燃料必须的原材料锂和水的储量相当丰富，而且这些原材料分布广泛，任何一个国家都不可能垄断其市场。
⑷、不存在对石化燃料的依赖
核聚变发电站的基本原理是利用氘和氚发生聚变反应来获取能量，并且使用蒸汽轮机将其转化为电能。反应的原料是氘、氚和用于氚增值的金属锂，摆脱了对石化燃料的依赖。核聚变反应所产生的能量一部分用于维持核聚变反应持续进行，剩下的用于发电。所以，除了最初启动核聚变反应需要消耗额外的能量以外，接下来不再需要对其提供能量。
⑸、基本不污染环境
由核聚变发电站原理可以知道，核聚变发电不会产生污染大气的气体。它的产物是对环境无害的氦气。另外，如上所讨论，核聚变电站产生的放射性物质比较核裂变电站而言很少，而且这些放射性产物的半衰期也是相当短的。
⑹、无核事故风险
核聚变电站是固有安全的。它不会爆炸或脱离控制，不像核裂变电站那样包含足够运行很多年的大量铀或钚燃料。核聚变电站只含有非常少量的氘和氚燃料。通常只有1克——只够维持几秒的反应。如果燃料不连续更换，那么核聚变反应将会终止。
2、缺点
⑴、实现太难
核裂变能的利用，从开始实现“链式反应”（1943年）到形成一代能源（1970年）不过20余年；只是因为三里岛和切尔诺贝利这两次核事故才使核裂变能源的发展停顿下来。
而对于聚变能的发展来说，已经研究了50年；预计还要50年才能广泛应用。其原因何在？现在能回答的是： ①、对“等离子体”的了解还是初步的；②、支持“磁约束”的各种技术（超导、低温、超高真空、微波、材料等）非常复杂，因为氘—氚反应要产生14MeV的强中子辐射，而且还要把上亿摄氏度高温的等离子体维持相当长的时间，这对于人类现有的技术积累提出了挑战；③、全世界对发展核聚变能还没有形成一致的时间表，很难集中人力、物力和财力。
⑵、第一代核聚变反应（即氘—氚反应）有中子产生
五、核聚变能应用遇到的问题
现将核聚变能发电所需解决的“自持燃烧”及“稳态运行”的关键物理和技术问题列举如下：
1、自持燃烧的关键问题
⑴、氘、氚等离子体的特征；⑵、α粒子的约束；⑶、α粒子的“排灰”；⑷、遥控操作技术；⑸、α粒子驱动的不稳定性研究；⑹、自持燃烧的剖面控制；⑺、高增益的燃烧控制。
2、稳态运行的关键问题
⑴、高自举电流份额；⑵、稳态运行的磁铁；⑶、稳态的电流驱动；⑷、氚工艺；⑸、长以小时计的放电脉冲时间；⑹、解决等离子体的“大破裂”；⑺、包层工程；⑻、低“活化”材料；⑼、氚“自持”；⑽、多以月计的运行时间；⑿、电功率输出。
3、核聚变能应用任重而道远
只有在解决上述关键问题的基础上，再发展实验堆和商用堆原型，才能说核聚变能“商业化”。如果以一代装置需要10余年计，那么这三代装置就需40至50年。所以说，核聚变能商用化（托卡马克途径）大约在2050年以后实现不是没有根据的。核聚变能应用任重而道远。
六、EAST相关新闻
1、EAST
资料显示，新华网合肥9月28日电（记者喻菲 蔡敏 程士华），世界领先的中国新一代热核聚变装置——全超导非圆截面核聚变实验装置（EAST），于28日首次成功完成了放电实验，获得了“电流200千安、时间接近3秒的高温等离子体放电”。
负责这一项目的中国科学院等离子体研究所所长李建刚研究员在接受新华社记者采访时说，此次实验实现了装置内部1亿摄氏度高温、等离子体建立、圆截面放电等各阶段的物理实验，达到了预期效果。
工艺鉴定组专家、中科院基础科学研究局金铎研究员在实验后的新闻发布会上宣布，EAST通过国家“九五”大科学工程工艺鉴定。参与EAST研究合作的美国通用原子能公司盖瑞·杰克逊博士说：“EAST成为世界上第一个建成并且真正运行的全超导非圆截面核聚变实验装置，它将在未来10年内保持世界先进水平。”
据了解，EAST装置是中国耗时8年、耗资2亿元人民币自主设计、自主建造而成的。
记者在实验控制室看到，这个近似圆柱形的大型物体由特种无磁不锈钢建成，高约12米、直径约为5米，据介绍其总重量达400吨。
李建刚研究员说，与国际同类型实验装置相比，EAST是使用资金最少、建设速度最快、投入运行最早、运行后获得等离子放电最快的先进核聚变实验装置。
“这意味着人类在核聚变能研究利用领域取得了重大进步，也标志着中国在这一领域达到国际先进水平”，李建刚说。
人们认识热核聚变是从氢弹爆炸开始的。氢弹爆炸时释放出极大的能量，给人类带来的是灾难。而科学家们却希望发明一种装置，可以有效地控制“氢弹爆炸”的过程，让能量持续稳定地输出，以解决人类面临的能源短缺危机。
2、ITER计划
资料显示，美、法等国在20世纪80年代中期发起了耗资46亿欧元的“国际热核实验反应堆”（ITER）计划。该计划旨在建立世界上第一个受（可）控热核聚变实验反应堆，为人类输送巨大的清洁能量。这一过程与太阳产生能量的过程相类似，因此受（可）控热核聚变实验装置也被俗称为“人造太阳”。
中国于2003年加入ITER计划。位于安徽合肥的中科院等离子体所是这个国际科技合作计划的国内主要承担单位。其研究建设的EAST装置的稳定放电能力为创记录的1000秒，超过世界上所有正在建设的同类装置。
EAST大科学工程总经理万元熙教授说，与ITER相比，EAST在规模上小很多，但是两者都是“全超导非圆截面托卡马克”，即两者的“等离子体位形”及主要的工程技术基础是相似的，而EAST至少比ITER早投入实验运行10至15年。因此，无论从人才培养还是从奠定工程技术及物理基础的角度上来说，EAST都将为ITER计划做出重要的、实质性的贡献，并且进而为人类开发和最终应用核聚变能做出重要贡献。
不过，万元熙研究员说，虽然“人造太阳”的奇观在实验室中初现，但是离真正的商业运行还有相当长的距离，它所发出的电能在短时间内还不可能进入人们的家中。但是他预测，根据目前世界各国的研究状况，这一梦想最快有可能在2040至2060年之后实现。
万元熙说，未来的稳态运行的热核聚堆用于商业运行之后，所产生的能量够人类用数亿年乃至数十亿年。从长远来看，核能将是继石油、煤和天然气之后的主要能源，人类将从“石油文明”走向“核能文明”。
七、KSTAR简介
资料显示，KSTAR（Korea Superconducting Tokamak Advanced Research，韩国超导T托卡马克高级研究），是韩国大田研究基地国家聚变研究所的超导托卡马克核聚变装置，被称为“韩国太阳”。它是“国际热核聚变实验反应堆（ITER）项目的一部分。
KSTAR是世界上首个采用新型超导磁体（Nb3Sn）材料产生磁场的全超导聚变装置，其磁场强度是使用“铌钛系统核聚变装置”的3倍多。
KSTAR的成功为韩国的利用核聚变发电奠定了基石。韩国计划在以后30年左右开始利用核聚变发电。
在2012年，它成功地维持高温等离子体（大约5000万摄氏度）17秒。
八、中国核电发展总趋势
资料显示，中国正在加大能源结构调整力度。积极发展核电、光伏发电、风电、水电等清洁优质能源已刻不容缓。中国能源结构仍然以煤炭为主体，清洁优质能源的比重偏低。
2014年，中国运行核电机组22台，装机容量达到2029.658万千瓦，核电发电量仅占全国发电量的2.1%。在建的核电机组有26台，装机容量约为2800万千瓦。预计到2020年前，中国在运转核电装机达到5800万千瓦，在建3000万千瓦。到2050年，根据不同部门的估算，中国核电装机容量可以分为高中低三种方案：高方案为3.6亿千瓦（约占中国电力总装机容量的30%）；中方案为2.4亿千瓦（约占中国电力总装机容量的20%）；低方案为1.2亿千瓦（约占中国电力总装机容量的10%）。
中国国家发展改革委员会正在制定中国核电发展民用工业规划，到2020年中国电力总装机容量预计为9亿千瓦时；核电的比重将占电力总容量的4%，即是中国核电在2020年时将为3600～4000万千瓦。也就是说，到2020年中国将建成40座相当于大亚湾那样的百万千瓦级的核电站。
从中国核电发展总趋势来看，中国核电发展的技术路线和战略路线早已明确并且正在执行。当前发展“压水堆”，中期发展“快中子堆”，远期发展“聚变堆”。具体而言就是，在近期发展“热中子反应堆”核电站，为了充分利用铀资源，采用铀钚循环的技术路线；中期发展“快中子增殖反应堆”核电站；远期发展“聚变堆”核电站。从而，从基本上“永远”解决中国能源需求的矛盾。
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