核聚變是兩個輕原子核結(jié)合形成一個較重的原子核同時釋放大量能量的過程。

聚變反應發(fā)生在一種稱為等離子體的物質(zhì)狀態(tài)下——一種由正離子和自由移動的電子組成的熱帶電氣體，具有不同于固體、液體或氣體的獨特特性。

太陽以及所有其他恒星都由這種反應提供動力。為了在我們的太陽中融合，原子核需要在極高的溫度下相互碰撞，大約一千萬攝氏度。高溫為它們提供了足夠的能量來克服它們之間的相互排斥。一旦原子核進入彼此非常接近的范圍內(nèi)，它們之間的吸引力核力將超過電排斥并允許它們?nèi)诤稀榇耍雍吮仨毐幌拗圃谝粋€小空間內(nèi)以增加碰撞的機會。在太陽中，其巨大引力產(chǎn)生的極端壓力為聚變創(chuàng)造了條件。

科學家們?yōu)槭裁匆芯烤圩兡?

自從核聚變理論在 1930 年代被理解以來，科學家——以及越來越多的工程師——一直在尋求重新創(chuàng)造和利用它。這是因為如果核聚變可以在地球上以工業(yè)規(guī)模復制，它可以提供幾乎無限的清潔、安全和負擔得起的能源來滿足世界的需求。

聚變每公斤燃料產(chǎn)生的能量是裂變(用于核電站)的四倍，是燃燒石油或煤炭的近四百萬倍。

大多數(shù)正在開發(fā)的聚變反應堆概念將使用氘和氚的混合物——含有額外中子的氫原子。理論上，只需幾克這些反應物，就有可能產(chǎn)生一太焦耳的能量，這大約是發(fā)達國家一個人六十多年所需的能量。

聚變?nèi)剂县S富且容易獲得：氘可以從海水中廉價提取，氚可以通過聚變產(chǎn)生的中子與天然豐富的鋰的反應產(chǎn)生。這些燃料供應將持續(xù)數(shù)千年。未來的聚變反應堆本質(zhì)上也是安全的，預計不會產(chǎn)生高活性或長壽命的核廢料。此外，由于聚變過程難以啟動和維持，不存在反應失控和熔毀的風險;聚變只能在嚴格的操作條件下發(fā)生，在此之外(例如在事故或系統(tǒng)故障的情況下)，等離子體將自然終止，非常迅速地失去能量并在反應堆受到任何持續(xù)損壞之前熄滅。

重要的是，核聚變——就像裂變一樣——不會向大氣排放二氧化碳或其他溫室氣體，因此從本世紀下半葉開始，它可能成為低碳電力的長期來源。

比太陽還熱

雖然太陽的巨大引力自然會引起聚變，但如果沒有這種力，則發(fā)生反應需要比太陽更高的溫度。在地球上，我們需要超過 1 億攝氏度的溫度來制造氘和氚聚變，同時調(diào)節(jié)壓力和磁力，以穩(wěn)定地限制等離子體并保持聚變反應足夠長的時間以產(chǎn)生比啟動反應所需的更多的能量。

雖然現(xiàn)在通常在實驗中達到非常接近聚變反應堆所需條件的條件，但仍需要改進等離子體的限制特性和穩(wěn)定性來維持反應并以持續(xù)的方式產(chǎn)生能量。來自世界各地的科學家和工程師不斷開發(fā)和測試新材料和設計新技術，以實現(xiàn)凈聚變能。

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聚變能源的未來

從核聚變中提供能量被廣泛認為是 21 世紀的重大工程挑戰(zhàn)。需要做些什么才能使聚變能在商業(yè)上可行?

我們在聚變技術發(fā)展上的立場是什么?

核聚變和等離子體物理研究在 50 多個國家進行，并且在許多實驗中成功地產(chǎn)生了聚變反應，盡管迄今為止產(chǎn)生的能量沒有超過啟動反應過程所需的能量。專家們提出了不同的設計和發(fā)生聚變的基于磁體的機器，如仿星器和托卡馬克，但也提出了依賴激光、線性裝置和先進燃料的方法。

聚變能源成功推出需要多長時間，將取決于通過全球伙伴關系和協(xié)作調(diào)動資源，以及該行業(yè)能夠以多快的速度開發(fā)、驗證和鑒定新興聚變技術。另一個重要問題是同時發(fā)展必要的核基礎設施，例如與實現(xiàn)這一未來能源相關的要求、標準和良好實踐。

經(jīng)過全球10年的部件設計、場地準備和制造，世界最大的國際聚變設施法國ITER于2020年開始組裝。ITER是一個旨在展示聚變科技可行性的國際項目能源生產(chǎn)和證明未來發(fā)電示范聚變發(fā)電廠的技術和概念，稱為DEMO。ITER 將在本世紀下半葉開始進行首次實驗，并計劃于 2036 年開始進行全功率實驗。

不同國家的 DEMO 時間表各不相同，但專家們的共識是，到 2050 年可以建造并運行一個發(fā)電的聚變電廠。與此同時，許多私人投資的商業(yè)企業(yè)也在發(fā)展聚變電廠的概念方面取得了長足的進步，圖多年來公共資助的研究和開發(fā)產(chǎn)生的專有技術，并更快地提出聚變能。

國際原子能機構的作用是什么?

• IAEA 長期以來一直處于國際聚變研究和開發(fā)的核心，最近開始支持早期技術開發(fā)和部署：

• 原子能機構于 1960 年創(chuàng)辦了《核聚變》雜志，以交流有關核聚變進展的信息。該期刊現(xiàn)在被認為是該領域的領先期刊。原子能機構還定期出版TECDOC和關于聚變的宣傳和教育材料。

• 第一屆國際原子能機構聚變能會議于 1961 年舉行，自 1974 年以來，原子能機構每兩年召開一次會議，以促進討論該領域的發(fā)展和成就。觀看有關本次會議系列歷史的短片

• 自 1971 年以來，國際原子能機構國際聚變研究理事會一直是促進聚變研究國際合作的催化劑。

• ITER 協(xié)定交存于 IAEA總干事。IAEA 與 ITER 組織之間的合作于 2008 年通過合作協(xié)議正式確定，并于 2019年擴大和深化。

• 原子能機構促進世界各地示范項目活動的國際合作與協(xié)調(diào)。

• 國際原子能機構就聚變科技開發(fā)和部署相關主題開展一系列技術會議和協(xié)調(diào)研究活動，組織和支持聚變教育和培訓活動。

• 原子能機構維護著聚變能研究基礎數(shù)據(jù)的數(shù)字數(shù)據(jù)庫，以及聚變裝置信息系統(tǒng)(FusDIS)，該系統(tǒng)匯編了世界各地運行、在建或計劃中的聚變裝置的信息。

• 國際原子能機構正在開展一個項目，該項目涉及核裂變和聚變在能源生產(chǎn)方面的技術開發(fā)協(xié)同作用，以及長期可持續(xù)性(包括放射性廢物的處理)以及聚變設施的法律和制度問題。

• 國際原子能機構正在研究涵蓋聚變設施整個生命周期的關鍵安全方面，其中需要指南和具體的參考文件。

• 原子能機構正在支持一個通用聚變示范工廠的預可行性研究。