聚变发电面临的挑战与解决方案

从第一个简易的裂变式原子弹的爆炸到第一个有用的核裂变反应堆开始运行只用了12年的时间。然而，从第一个聚变式核武器的试验到现在已经半个世纪过去了，我们要建成商业核聚变电站仍然需要几十年的时间。虽然在许多方面核聚变比裂变更有吸引力，但是由于很多原因，发展核聚变仍面临很多挑战。裂变通过链反应进行，如果将足够数量的可裂变材料堆在一起，则裂变反应会自发进行。裂变燃料只需要加热到可以高效地将热量传到蒸汽发生器就行；而对于发生在反应堆中的聚变，反应燃料要加热到足够高的温度才能克服两个核之间的库仑排斥力。太阳，跟其他恒星一样，通过其中心部位的聚变反应发出光芒，中心温度估计有1000电子伏（keV），或大概10600000℃。与其他主序星一样，太阳通过大量的核聚变反应生成能量，聚变由两个质子聚合生成氘开始，同时开产生一个正电子和一个中微子。这种反应的截面比前面讨论的要小得多，但是太阳很大（直径是897000m），它能够从低概率反应中长期积累能量（能量从核心到表面需要10⁵～10⁶年）从而变得很热。由于核聚变反应需要一个数米规模的反应堆，以及这样的装置其能量约束时间至多为几秒钟，因此聚变反应堆不仅需要用到前面提到的不同反应，还需要运行在很高温下。磁约束是聚变反应中已经采用的主要方法，要求温度达到20～40keV，这要远远高于我们的星系中任意自然结构的温度，当然，除了星系中心的黑洞周围的吸积环，以及瞬态的、极其罕见的超新星的中心。在地面聚变装置中要得到这么高的温度是非常困难的，但是尽管如此，在20世纪90年代早期的聚变实验中可以频繁产生这样的温度。然而，其中一些实验的能量收支几乎是相平衡的（所用的能量与释放的聚变能量相等），因为没有足够高的能量密度或者能量约束时间不够长、缺乏实际的热量提取系统，所以聚变反应堆应用到实践仍是很遥远的事情。ITER的职责就是满足这些要求，这在第6节中有所提及^[1，2]。

使聚变比裂变更具挑战性的另一个因素是能源谱和所产生中子的环境。在生成裂变中子的过程中持续产生能量，但是只有少量有高于百万电子伏的能量。大部分裂变反应堆中，燃料都被放在慢化介质中，这使得中子到达反应堆容器前能量减少到只有几电子伏甚至更少。相反，在D-T聚变反应堆中，产生的中子的平均能量为14.1MeV，从中子生成的地方到最近的反应堆结构部件的线积分密度是非常低，所以不会减少中子能量。因此，用作聚变反应堆第一堆壁的固体材料必须能够承受原子位移和由高能质子产生的核反应。这是一个很难的冶金学问题，此外，测试能量谱中的物质需要通过一个聚变反应堆或加速器驱动的中子发生器来生成高能中子，这是麻烦的问题。研究更能承受中子流的合金这工作正在进行中，还有一种可行的解决方案是用一个厚的液体壁来作为反应堆的第一堆壁，这可能会很快修复任何损坏的中子。现在常用的液体是厚的液态锂，它具有好的真空属性，可以生成氚，是轻元素；假设液态锂污染了聚变燃料，那么与高原子量的物质相比，它可以通过增强的辐射损耗产生更少的损害。(www.xing528.com)

对于聚变来说，热量提取问题比起裂变的要更难。在裂变反应堆中，所有的能量都是被燃料球或者慢化剂吸收，因此可以分散在整个堆芯中。在D-T聚变反应堆中，4/5的能量是由中子携载的，然后存储在包层中，渗透深度大约1m，这样就可以很容易地当作扩散热源来处理。但是，其他五分之一的能量是由⁴He（通常称alpha粒子）核所携载，并储存在反应介质中，在大部分聚变方案中，这部分热量必须沿着高能量密度等离子体表面覆盖层来提取。