可控核聚变发电

肖　瑶

上海交通大学机械与动力工程学院

讲师

1　工作原理与性能

1.1　可控核聚变发电原理

核聚变是将两个较轻的核结合而形成一个较重的核和一个很轻的核或粒子的一种核反应形式。在此过程中，因产生质量亏损会释放出巨大的能量（见图1）。目前人类已经可以实现不受控制的核聚变，如氢弹的爆炸；也可以触发可控制核聚变，只是目前输入的能量仍然大于输出能量，或发生时间极短。要想有效利用聚变能量则必须能够合理地控制核聚变的速度和规模，实现持续、平稳的能量输出，并达到一定经济效应。

图1　核聚变原理图^[1]

可控核聚变的研究已持续了很多年，目前主要的可控制核聚变发展方向有磁约束核聚变（托卡马克）和激光约束（惯性约束）核聚变两种。国际热核聚变实验反应堆（ITER）（见图2）和美国国家点火装置（National Ignition Facility）（见图3）分别以为这两种发展方向的典型代表。

1.2　可控核聚变发电性能

可控核聚变发电具有许多潜在优势：

（1）安全。核聚变产生的核废料半衰期极短，使得低管理成本、核泄漏时总危害较低。因核聚变停止后只有很少的余热产生，相较裂变发电具有更高的安全性。

（2）清洁。相对于传统的核反应堆所产生的污染物，核聚变反应堆将生产几乎没有任何二氧化碳或其他大气污染物，它的其他放射性废料产物的寿命也很短。

图2　ITER装置示意图^[2]

（3）燃料丰富。核聚变的燃料是氘、氚等，在地球海洋和宇宙空间中有丰富的储量，丰富的燃料储量为成本的降低提供了可能。

图3　美国国家点火装置^[3]

（4）燃料能量密度高。每升海水中所含有的核聚变燃料，经过核聚变反应后可产生相当于300 L汽油燃烧所放出的能量。同等原料核聚变反应产生的能量远大于核裂变反应产生的能量。

（5）应用范围广。因无需氧化剂，能量密度高，在宇宙空间和船用环境下具有显著优势。

2　应用领域与前景

作为一种能源产生方式，可控核聚变发电可能会使得能源生产成本大幅下降，从而降低整个社会的运行成本。若结合更高效率的储能技术，可以使整个工业体系和能源使用方式发生巨大变化。由此产生的潜在影响不可估量，应用前景巨大。

【注释】

[1]https://www.iter.org/news/galleries.ITER.

[2]https://www.iter.org/news/galleries,IFER.

[3]https://lasers.llnl.gov/media/photo-gallery.lawrence.Livemore National Laboratory.