與其他能源相比，
核聚變反應(yīng)堆有幾項(xiàng)顯著的優(yōu)點(diǎn)，因而一直備受媒體的關(guān)注。它們的燃料來源十分充足，輻射泄漏也處于正常范圍之內(nèi)，與目前的
核裂變反應(yīng)堆相比，其放射性廢物更少。
然而迄今為止，還沒有人將這一技術(shù)應(yīng)用到實(shí)踐中，但建造這種反應(yīng)堆實(shí)際上已為期不遠(yuǎn)。目前，核聚變反應(yīng)堆正處于試驗(yàn)階段，世界各個(gè)國(guó)家及地區(qū)的多個(gè)實(shí)驗(yàn)室都開展了這項(xiàng)研究。
建立ITER核聚變反應(yīng)堆工廠的建議地點(diǎn)——法國(guó)卡達(dá)拉什美國(guó)、俄羅斯、歐洲和日本經(jīng)過協(xié)商，建議在法國(guó)卡達(dá)拉什建立一座名為
國(guó)際熱核試驗(yàn)堆（ITER）的核聚變反應(yīng)堆，旨在研究通過持續(xù)核聚變反應(yīng)來發(fā)電的可行性。在本文中，我們將介紹關(guān)于核聚變的知識(shí)，并了解ITER反應(yīng)堆的工作方式。
核聚變物理學(xué)：反應(yīng)同位素同位素是指質(zhì)子數(shù)和電子數(shù)相同，但中子數(shù)不同的同一類元素的原子。下面是核聚變中一些常見的同位素： 氕是帶一個(gè)質(zhì)子而沒有中子的氫同位素。它是氫的最常見的一種形式，也是宇宙中最普遍的元素。 氘是帶一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子的氫同位素。它不具有放射性，可從海水中提取。 氚是帶一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子的氫同位素。氚具有放射性，半衰期約為10年。氚不會(huì)自然形成，但用中子轟擊鋰可產(chǎn)生氚。 氦3是帶有兩個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子的氫同位素。 氦4是氦在自然界中最為普遍的一種形式，它帶有兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子。
目前的核反應(yīng)堆利用
核裂變來產(chǎn)生能量。在核裂變中，能量是通過一個(gè)原子分裂為兩個(gè)原子來釋放的。在傳統(tǒng)的核反應(yīng)堆中，鈾的重原子在高能中子的轟擊下發(fā)生裂變，這會(huì)生成巨大的能量，同時(shí)產(chǎn)生長(zhǎng)期的輻射和放射性廢物（詳見
核電站工作原理）。
核聚變的能量是通過兩個(gè)原子合并為一個(gè)原子而產(chǎn)生的。在核聚變反應(yīng)堆中，氫原子發(fā)生聚變，進(jìn)而形成氦原子、中子，并釋放巨大的能量。氫彈和
太陽的能量就是靠這種反應(yīng)提供的。與核裂變相比，核聚變所產(chǎn)生的能量更加清潔、安全、高效，其能量來源也更為豐富。
核聚變反應(yīng)分為多種類型。其中大多數(shù)都涉及氫的同位素氘和氚：
質(zhì)子－質(zhì)子鏈——這一序列是太陽等恒星中最主要的核聚變反應(yīng)模式。 - 兩對(duì)中子形成兩個(gè)氘原子。
- 每個(gè)氘原子與一個(gè)質(zhì)子結(jié)合，生成一個(gè)氦3原子。
- 兩個(gè)氦3原子結(jié)合，生成不穩(wěn)定的鈹6。
- 鈹6衰變?yōu)閮蓚€(gè)氦4原子。 這些反應(yīng)會(huì)生成高能粒子（質(zhì)子、電子、中子、正電子），并放出輻射（光線、伽馬射線）。
氘－氘反應(yīng)——兩個(gè)氘原子結(jié)合，生成一個(gè)氦3原子和一個(gè)中子。 氘－氚反應(yīng)——一個(gè)氘原子和一個(gè)氚原子結(jié)合，生成一個(gè)氦4原子和一個(gè)中子。其中大部分能量以高能中子的形式釋放。
從概念上講，利用反應(yīng)堆中的核聚變十分容易。但為了讓這一反應(yīng)以可控、無害的方式進(jìn)行，科學(xué)家們歷經(jīng)周折。為了了解其中的緣由，我們需要先看一下發(fā)生核聚變的必要條件。
發(fā)生核聚變的條件當(dāng)氫原子聚合時(shí)，它們的原子核必須結(jié)合在一起。然而，由于每個(gè)原子核中的質(zhì)子都帶有相同的電荷（正電），因而會(huì)互相排斥。如果您曾試著
將兩塊磁鐵放在一起并感到它們互相推開，則意味著您已親身體驗(yàn)了這一原理。
若要實(shí)現(xiàn)核聚變，需要?jiǎng)?chuàng)造一些特殊的條件來克服這種排斥力。下面是發(fā)生核聚變的一些必要條件：
高溫——高溫可為氫原子提供足夠的能量，以克服質(zhì)子之間的電荷排斥。核聚變需要的溫度約為1億開（約是太陽核心溫度的六倍）。 在這樣的高溫下，氫的狀態(tài)為等離子體，而不是氣體。等離子體是物質(zhì)的一種高能狀態(tài)，其中所有電子都從原子中剝離出來，并可以自由移動(dòng)。 太陽的高溫是由重力壓縮核心的巨大質(zhì)量而產(chǎn)生的。我們要制造出這樣的高溫，就必須利用微波、激光和離子粒子的能量。 高壓——壓力可將氫原子擠在一起。氫原子之間的距離必須在1x10-15米以內(nèi)，才能進(jìn)行聚合。 太陽利用其質(zhì)量和重力將核心內(nèi)的氫原子擠壓在一起。 我們要將氫原子擠壓在一起，必須使用強(qiáng)大的磁場(chǎng)、激光或離子束。[/U]借助目前的技術(shù)，我們只能實(shí)現(xiàn)發(fā)生氘－氚聚變所需的溫度和壓力。氘－氘聚變需要的溫度更高，這種溫度有可能在將來實(shí)現(xiàn)。基本上，利用氘氘聚變會(huì)更加方便，因?yàn)閺暮Ｋ刑崛‰葟匿囍刑崛‰耙尤菀?。另外，氘不具有放射性，而且氘氘反?yīng)可釋放更多的能量。
核聚變反應(yīng)堆：磁約束
有兩種方法可實(shí)現(xiàn)發(fā)生氫聚變所需的溫度和壓力：
磁約束使用磁場(chǎng)和電場(chǎng)來加熱并擠壓氫等離子體。法國(guó)的ITER項(xiàng)目使用的就是這種方法。
慣性約束使用激光束或離子束來擠壓并加熱氫等離子體。在美國(guó)勞倫斯利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室的國(guó)家點(diǎn)火設(shè)施中，科學(xué)家們正在對(duì)這種試驗(yàn)方法展開研究。 我們首先探討磁約束。其工作原理如下：
加速器釋放出微波、帶電粒子束和中性粒子束，用于加熱氫氣的氣流。在高溫下，氫氣從氣態(tài)變?yōu)榈入x子體。這種等離子體受到超導(dǎo)磁體的擠壓，進(jìn)而發(fā)生聚變。在用磁場(chǎng)約束等離子體時(shí)，最有效的磁體形狀是面包圈形（即環(huán)形）。
等離子體環(huán)形室
采用這種形狀的反應(yīng)堆稱為Tokamak。ITER Tokamak是一個(gè)獨(dú)立式反應(yīng)堆，其部件都裝在不同的盒子中。進(jìn)行維護(hù)時(shí)，工作人員可以方便地插入和拔出這些盒子，而不必拆開整個(gè)反應(yīng)堆。該Tokamak的等離子體環(huán)形室將采用2米的內(nèi)半徑和6.2米的外半徑。
磁約束：ITER示例 ITER Tokamak反應(yīng)堆的主要組件包括：
ITER Tokamak
真空室——用于盛放等離子體，并將反應(yīng)室置于真空中 中性束注入器[/B]（離子回旋系統(tǒng)）—— 將加速器釋放的粒子束注入等離子體中，以便將等離子體加熱到臨界溫度 磁場(chǎng)線圈（極向環(huán)形）——用磁場(chǎng)來約束、定型和抑制等離子體的超導(dǎo)磁體 變壓器/中央螺線管[/B]——為磁場(chǎng)線圈供電 冷卻設(shè)備（冷凍機(jī)、低溫泵）——用于冷卻磁體 包層模塊——由鋰制成，用于吸收核聚變反應(yīng)中的熱量和高能中子 收集器[/B]——排出核聚變反應(yīng)中的氦產(chǎn)品 下面是磁約束核聚變過程的作用機(jī)制：
磁約束核聚變過程
- 核聚變反應(yīng)堆加熱氘和氚燃料的氣流，使之形成高溫的等離子體。接下來，反應(yīng)堆對(duì)等離子體施加壓力，繼而發(fā)生聚變。
- 啟動(dòng)核聚變反應(yīng)所需的電能約為70兆瓦特，但該反應(yīng)生成的電能約為500兆瓦特。
- 核聚變反應(yīng)將持續(xù)300到500秒（最終將形成持續(xù)的核聚變反應(yīng)）。
- 等離子體反應(yīng)室外部的鋰包層將吸收核聚變反應(yīng)中釋放的高能中子，從而產(chǎn)生更多的氚燃料。在高能中子的作用下，這些包層也會(huì)被加熱。
- 水冷回路將熱量轉(zhuǎn)移至熱交換器，最終形成蒸氣。
- 蒸氣驅(qū)動(dòng)電渦輪發(fā)電。
- 蒸氣將被重新壓縮成水，以便讓熱交換器吸收反應(yīng)堆中的更多熱量。
起初，ITER Tokamak將測(cè)試建造持續(xù)核聚變反應(yīng)堆的可行性，其最終將變?yōu)橐蛔鶞y(cè)試核聚變發(fā)電廠。
核聚變反應(yīng)堆：慣性約束在美國(guó)勞倫斯利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室的國(guó)家點(diǎn)火設(shè)施（NIF）中，科學(xué)家們正在試驗(yàn)用激光束來誘發(fā)聚變。在NIF設(shè)備中，
192條激光束將聚焦于一個(gè)直徑為10米的靶室上的一點(diǎn)，這個(gè)靶室稱為黑體輻射空腔。根據(jù)
科學(xué)和工程百科全書，
黑體輻射空腔是指“腔壁與腔內(nèi)的輻射能量達(dá)到平衡的腔”。
慣性約束核聚變過程
在靶室內(nèi)部的焦點(diǎn)上，將有一個(gè)豌豆大小的氘－氚粒狀物，其外側(cè)包有一個(gè)小型塑料圓筒。激光的能量（180萬焦）將加熱圓筒，并生成
X射線。在高溫和輻射的作用下，粒狀物將轉(zhuǎn)化為等離子體，且壓力不斷升高，直至發(fā)生聚變。核聚變反應(yīng)壽命很短，大約只有百萬分之一秒，但它釋放的能量是引發(fā)核聚變所需能量的50到100倍。在這種類型的反應(yīng)堆中，需要相繼點(diǎn)燃多個(gè)目標(biāo)，才能產(chǎn)生持續(xù)的熱量。據(jù)科學(xué)家估計(jì)，每個(gè)目標(biāo)的成本可控制在0.25美元左右，從而大大降低了核電廠的成本。
核聚變點(diǎn)火過程
與磁約束核聚變反應(yīng)堆類似，
慣性約束核聚變中的能量也將被轉(zhuǎn)移至熱交換器生成蒸氣，進(jìn)而通過蒸氣來發(fā)電。
核聚變的應(yīng)用
核聚變的主要應(yīng)用是發(fā)
電，它可為后代提供安全、清潔的能源，與目前的核裂變反應(yīng)堆相比，它具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
燃料供應(yīng)充足[/B]——氘可直接從海水中提取，大量的氚可從核反應(yīng)堆本身的鋰中獲得，而鋰又廣泛存在于地殼中。核裂變所需的鈾非常稀少，必須經(jīng)過開采和濃縮后才能用于反應(yīng)堆。
安全[/B]——與核裂變反應(yīng)堆相比，核聚變所需的燃料較少。這樣便避免了不可控的能量釋放。與人類生存的自然界相比，大多數(shù)核聚變反應(yīng)堆釋放的輻射并不算多。
清潔[/B]——核電廠（無論是裂變還是聚變）不靠燃燒發(fā)電，不會(huì)造成空氣污染。
核廢物更少[/B]——核聚變反應(yīng)堆不像核裂變反應(yīng)堆那樣會(huì)生成大量的核廢物，因而處理起來會(huì)更加容易。另外，核裂變所產(chǎn)生的廢物屬于武器級(jí)的核材料，而核聚變的廢物則沒有這樣的危險(xiǎn)。 目前，NASA正在研制一種小型的核聚變反應(yīng)堆，用于為深空火箭提供動(dòng)力。
核聚變推進(jìn)器具有無限的燃料供應(yīng)（氫），其效率更高，可令火箭飛得更快。
冷核聚變1989年，美國(guó)和英國(guó)的研究人員宣稱，他們?cè)谑覝貤l件下建造了核聚變反應(yīng)堆，而沒有采用對(duì)高溫等離子體進(jìn)行約束的方法。他們將用鈀制成的電極置于盛有重水（氧化氘）的保溫瓶中，然后為重水通上電流。這些研究人員指出，鈀可以催化聚變，它能將氘原子間的距離拉近到足以發(fā)生聚變的程度。但是，其他國(guó)家及地區(qū)的許多科學(xué)家并未能得到相同的結(jié)果。 2005年4月，冷核聚變?nèi)〉镁薮筮M(jìn)展。美國(guó)加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)的科學(xué)家利用熱電晶體引發(fā)了核聚變。他們將晶體放入盛有氫的小型容器中，并對(duì)晶體加熱，進(jìn)而形成一個(gè)電場(chǎng)。接下來，他們將一根金屬線插入容器來吸收電荷。聚焦的電場(chǎng)對(duì)帶正電荷的氫原子核產(chǎn)生極強(qiáng)的排斥力，這使得原子核快速掙離金屬線，并發(fā)生相互碰撞，其力度足以實(shí)現(xiàn)聚合。這一反應(yīng)是在室溫條件下進(jìn)行的。有關(guān)更多信息，請(qǐng)參見冷溫度的產(chǎn)物：真正的冷核聚變（csmonitor.com）。
