原理装置设计可控核反应是什么

㈠ 什么是可控核聚变

核聚变是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核，并释放出能量的过程。

可控的核聚变就是可以人为控制利用核聚变发出的巨大能量，方式主要是磁约束和惯性约束。

1. 最早的著名方法是"托卡马克"型磁场约束法。它是利用通过强大电流所产生的强大磁场，把等离子体约束在很小范围内以实现上述三个条件。虽然在实验室条件下已接近·，但要达到工业应用还差得远。按照现有的技术水平，要建立托卡马克型核聚变装置，需要几千亿美元。

2. 另一种实现核聚变的方法是惯性约束法。惯性约束核聚变是把几毫克的氘和氚的混合气体或固体，装入直径约几毫米的小球内。从外面均匀射入激光束或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸发，受它的反作用，球面内层向内挤压（反作用力是一种惯性力，靠它使气体约束，所以称为惯性约束）

㈡ 可控核聚变到底是什么究竟有多难实现

是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核，并释放出能量的过程。自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素——氘与氚的聚变，这种反应在太阳上已经持续了50亿年。可控核聚变俗称人造太阳，因为太阳的原理就是核聚变反应。

（核聚变反应主要借助氢同位素。核聚变不会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，当然也不产生温室气体，基本不污染环境）人们认识热核聚变是从氢弹爆炸开始的。科学家们希望发明一种装置，可以有效控制“氢弹爆炸”的过程，让能量持续稳定的输出。

详细内容

地球上的能量，无论是以矿石燃料，风力，水力还是动植物的形式储存起来的，最终的来源都是太阳：矿石燃料是由千百万年前的动植物演变而来的，而动植物（无论是今天的还是以前的）的能量最终是要来源于食物链底端的植物的光合作用所储存的太阳能；风的起因是由于太阳对大气的加热造成的冷热不均；

水力的势能一样要靠太阳的加热使处于低平位置的水体蒸发，上升，再以降水形式被“搬运”到较高位置，从而形成势能。因此，无论人类利用这其中哪一种能源，归根结底都是在利用太阳能，而太阳的能量则是来源于核聚变；

因此，人类如果掌握了有序地释放核聚变的能量的办法，就等于掌握了太阳的能量来源，就等于掌握了无穷无尽的矿石燃料，风力和水力能源，一些人鼓吹的现代工业将因为没有能量来源而走向灭亡的观点也就破产了。

㈢ 什么是可控核聚变技术

现时国际上比较流行的可控核聚变技术主要分为两种，一种是利用磁力约束等离子体的“托克马克装置”，另一种是利用激光诱导反应的“自惯性约束反应堆”。两者均无理论障碍，但都有不少技术上的难关。托克马克装置需要有可靠的超导体电磁线圈组，而自惯性约束反应堆则需要寿命长、可靠性高的大功率激光装置。

㈣ 到底什么是可控核聚变

核聚变和核裂变，顾名思义，都是发生在原子核之间的反应。随着原子核发生了裂变和聚变，大量的能量被释放了出来。看到这里有的小伙伴就会问，原子核那么小，发生一点细微的变化怎么还会释放出大量的能量呢？

这一切，都要从爱因斯坦的质能方程说起：

根据质能方程，我们能得到一个结论：哪怕是再小的质量变化，由于光速这一个二次项的存在，也会产生释放出巨大的能量。

举个例子，铀（U）-235和钚（Pu）-239这两种重原子核在受到中子的轰击时，通常会分裂变成两个中等质量的新核，同时再放出2-3个中子和200兆eV的能量，也就是接近0.003焦耳的能量，这个能量看似很小，但是要知道，在一个裂变系统中，第一次裂变时放出的中子还会继续参加第二次、第三次。。。。。第N次的裂变，而每次裂变都会产生新的中子，随着中子的数量以指数形式增长，产生的能量也随之剧增。当下一代中子有两位数时，1KG的U或Pu中，会有2.5*10^24次方原子核发生裂变，而裂变需要的时间极为短暂，在不到1微秒的时间内，这个反应产生的能量就相当于2万吨TNT的当量，而这，也就是原子弹的原理。

谈完了裂变，我们再来说说聚变：

刚才提到发生裂变反应式可以释放出巨大能量，但是裂变所需要的都是类似于U或Pu的重金属元素，而这类元素在地球上含量极为稀少；同时，裂变反应堆会产生长寿命而且放射性较强的核废料（参考日本福岛），这些因素都限制了裂变的使用，因此越来越多的科学家将视线投向了聚变。

聚变与裂变恰恰相反，需要的元素种类越轻越好，因此科学家们对氢元素的同位素-氘产生了浓厚的兴趣。

1939年，美国科学家贝特做了这样一个实验，他把一个氘原子核用加速器加速后和一个氚（氢的另一种同位素）原子核以极高的速度碰撞，让人意想不到事情发生了两个原子核竟然发生了融合，形成了一个新的原子核-氦外加一个自由中子，在这个过程中时放出了17.6兆eV的能量，而这也恰恰是太阳持续45亿年发光发热的原理。

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这就是聚变的原理，那么什么叫可控核聚变呢？

早在1933年，核聚变的原理就被提出，而5年后，改变世界格局的核裂变才被发现。核聚变反应堆的原理很简单，很好理解，只不过实现起来对于当时的人类技术水准，几乎是不可能的。第一步，作为反应体的混合气必须被加热到等离子态——也就是温度足够高到使得电子能脱离原子核的束缚，原子核能自由运动，这时才可能使得原子核发生直接接触，这个时候，需要大约10万摄氏度的温度。第二步，为了克服库仑力，也就是同样带正电荷的原子核之间的斥力，原子核需要以极快的速度运行，得到这个速度，最简单的方法就是——继续加温，使得布朗运动达到一个疯狂的水平，要使原子核达到这种运行状态，需要上亿摄氏度的温度。然后就简单了，氚的原子核和氘的原子核以极大的速度，赤裸裸地发生碰撞，产生了新的氦核和新的中子，释放出巨大的能量。经过一段时间，反应体已经不需要外来能源的加热，核聚变的温度足够使得原子核继续发生聚变。这个过程只要氦原子核和中子被及时排除，新的氚和氘的混合气被输入到反应体，核聚变就能持续下去，产生的能量一小部分留在反应体内，维持链式反应，大部分可以输出，作为能源来使用。看起来很简单是吧，只有一个问题，你把这个高达上亿摄氏度的反应体放在哪里呢？迄今为止，人类还没有造出任何能经受1万摄氏度的化学结构，更不要说上亿摄氏度了。这就是为什么一槌子买卖的氢弹已经制造了50年后，人类还没能有效的从核聚变中获取能量的唯一原因。好了，人类是很聪明的，不能用化学结构的方法解决问题，我们就用物理的试验一下。早在50年前，两种约束高温反应体的理论就产生了，一种是惯性约束。这一方法把几毫克的氘和氚的混合气体装入直径约几毫米的小球内，然后从外面均匀射入激光束或粒子束，球面内层因而向内挤压。球内气体受到挤压，压力升高，温度也急剧升高，当温度达到需要的点火温度时，球内气体发生爆炸，产生大量热能。这样的爆炸每秒钟发生三四次，并持续不断地进行下去，释放出的能量就可以达到百万千瓦级的水平。这一理论的奠基人之一就是我国著名科学家王淦昌。另一种就是磁力约束，由于原子核是带正电的，那么我的磁场只要足够强大，你就跑不出去，我建立一个环形的磁场，那么你就只能沿着磁力线的方向，沿着螺旋形运动，跑不出我的范围，而在环形磁场之外的一点距离，我可以建立一个大型的换热装置（此时反应体的能量只能以热辐射的方式传到换热体），然后再使用人类已经很熟悉的方法，把热能转换成电能就是了。苏联科学家塔姆和萨哈罗夫提出的这种方法相对于惯性约束，世界受控核聚变研究，主要集中在这个领域上。

我们国家在这个领域有先天的优势，加上机遇很好，走到世界第一集团，不是偶然的。说先天优势，是因为我们有王淦昌先生这样一批理论上的大师，使得我们的基础并不落后。国家对于能源的重视不是一天两天了，自1956年的12年科学规划以来，核聚变的研究已经进行了半个世纪，积累了大量的经验。还有一个祖宗留给我们的好礼物：内蒙古白云鄂博的稀土资源。它使得我们的超导工艺和激光技术并不落后——这可是受控核聚变的重要组成部分。说我们机遇好，一方面是当年苏联解体，俄罗斯贱卖家底，我们得到了俄国的HT-7超托卡马克，使我们跨越性的认识了这一系统。另一方面，国际扯皮使得ITER拖了近20年，我们赢得了追上去的机会，试想1985年ITER正式开建，怎么可能有中国的事情？中国人在这个关乎人类生存的领域，总算占有了一席之地，希望能良好地发展下去，早日求得正果，若如此，不仅为华夏之福，更是寰宇之大幸也。

革命尚未成功，同志仍需努力！

㈤ 什么是可控核聚变，如果实现核聚变如何进行能量转换

聚变是指氢及氢的同位素发生核反应生成氦及其他更重元素的反应。氢弹就是应用的这个原理。但很遗憾由于现在的氢弹都是由原子弹点燃，反应过程释放的能量也太大，很难控制，所以聚变反应只能应用于军事上。而现在人类的目标就是实现可控核聚变，从而实现聚变发电，那样的话，人类的能源将不再是问题。
核反应会使原子核发生能级跃迁，从而放出大量的gama射线，而反应或次级反应也会生成大量的高能态的arpha，bet射线，这些射线很大一部分会被周围的原子吸收，或者散射掉，变成热能，从而使周围温度大幅升高，再通过一套热机装置转换为机械能，进而转换为电能输送。

㈥ 核电站控制核反应的装置是什么核能发电的原理又是什么

有控制棒（在燃料组件中有燃料棒，控制棒，可燃毒物棒等），B补给系统。控制核反应就是控制中子密度，和中子的有效利用率，这和反应堆的表面积和体积的比值有关，比值越大则固有利用率越低。核能发电依靠核裂变放出大量的热，由二回路的水将堆内的热量带出，转变为蒸汽，干燥后进入汽轮机发电。目前只有裂变是长期可控的，聚变只能控制几分钟，主要是材料的限制。裂变有多种方式，不同的堆型用不同的燃料，压水堆用235-U，快堆可以用238-U，也有用239-Pu的。

㈦ 可控核聚变新方法颠覆了预期，无招胜有招，第一盏灯即将点燃

昨天看到一则消息，颠覆了我对可控核聚变未来的预期。一个名不见经传的小初创公司Zap Engergy，正在通过一种全新的方法，既省了钱，又取得了重大突破。一些业内专家和媒体对这个技术评价极高，认为是可控核聚变技术的一个重要里程碑。

现在，Zap Engergy正在努力将这种技术模块化，宣称不久的将来将推向市场。这次突破真的会大大缩短可控核聚变的商业化进程吗？我们来了解一下。

可控核聚变就是利用太阳内部核聚变的原理，在地球上创造出长久释放的氢核聚变能源，用于造福 社会 。其实氢弹爆炸就是核聚变的能量，但是不可控的，“轰”的一声就没了，除了战争，不能造福 社会 。

而可控核聚变就是让这个“轰”的一声瞬间释放的巨大能量，变成慢慢释放，这样就可以发电，在相当长时期得到取之不尽用之不竭的能源。由于这种能源的产生方式类似于太阳，因此俗称人造太阳或人造小太阳。

但太阳核心能够源源不断地持续发生氢核聚变，是因为太阳质量巨大，导致的向心巨大收缩压力下形成的，这个压力达到3000亿个大气压。地球上无法人造出这种压力，就需要比太阳核心1500万度更高的温度，这个温度需要1亿度以上。

这样问题就来了，如何让等离子体加热到1亿度呢？而且地球上最耐热的金属才几千度就融化了，用什么容器将核聚变几万个几千度的等离子体“装住”呢？又如何让这高温的等离子体发出电来呢？这就成可控核聚变需要解决的几大难题。

科学家们弄了几十年，如今终于有点眉目了。解决把核聚变高温等离子体“装住”的方法有三个，即磁约束、惯性约束、重力约束，这几种方法都是非物质约束方法，就是不让高温等离子体碰到容器内壁。

重力约束就是太阳这种方法，地球上做不到，人们就只能从磁约束和惯性约束来想办法了。前苏联科学家早在上世纪50年代就发明了一种叫托卡马克的装置，这种装置是通过线圈在内部产生磁阱，将高温等离子体约束在磁阱里。

采用托卡马克装置研发可控核聚变技术，是经典的磁约束方法，处于世界主流地位。中国自主研制出非圆截面全超导托卡马克实验装置，简称EAST，目前处于世界领先地位。在试验中，已经取得几项世界领先成就，如7000万度长脉冲高参数等离子体维持运行1056秒，等离温度1.2亿度运行时间达到101秒，实现了1兆安等离子体单溜等。

许多国家，如美、英、日等国的可控核聚变也都取得了进展，都可以产生能量了，但都维持时间太短，而且即便发了点，输出能量还不足。下一步需要解决的主要问题就是，让核聚变的等离子体能够长时间稳定持续燃烧，并且输出的能量要大大高于输入的能量，符号表示就是达到Q=1以上。

这些问题说起来很简单，但做起来谈何容易。因此，世界各路专家大体一致认为，要真正让可控核聚变实现商业化运用，至少还需要30年左右甚至更长时间。

中国也做出了自己的规划，在2025年实现Q=5，并逐步达到Q=10；2030年实现示范工程发电，在Q=5条件下实现200MW发电，初步达到Q=10稳态发电1GW。

从这个计划安排来看，如果能够顺利实现，最早也要到2030年才能在试运行中点亮第一盏灯，真正形成商业发电还要到2050年。

所谓惯性约束，就 是利用 粒子 的惯性作用来约束粒子本身，从而实现 核聚变反应 的一种方法。比较经典的方法是采用高能激光或带电粒子束照射极小的靶丸，导致靶面物质迅速消融并向外猛烈喷射，而喷射的反作用力形成向内传播的冲击波，形成极大的压力将靶丸内的氢同位素氘和氚发生聚变。

这种技术也是早在上世纪六十年代就提出了，前苏联和美国都进行了大量试验，我国自2000年以来，也开始了这项试验，但至今这项技术还没有取得重大突破，都还处于实验室试验阶段。

今年五月，有报道称英国一家叫 First Light Fusion的 公司另辟蹊径，通过高速弹射技术来引发核聚变。具体是通过两支大型超级空气加速枪，将燃料加速到10~20倍音速，射向嵌入氘燃料芯的小块，形成崩溃冲击波，瞬间压力达到10亿个大气压，导致燃料快以足够高的速度自爆，从而实现核融合反应。

核聚变的高温会将水加热产生蒸气，通过驱动涡轮机带动发电机转为电能，这样就实现了可控核聚变发电。

研发出这种装置是受到海洋枪虾的启发。枪虾又叫鼓虾，身长约5厘米，生活在热带海洋的浅水区。这种虾有一种“黑 科技 ”武器，攻击猎物时会瞬间喷射出一股时速高达100公里的水流，形成一个极小的低压气泡，这个气泡从产生到破裂只需10亿分之一秒，爆破时瞬间温度达到4700度，被这气泡冲击波击中的猎物很难逃过一劫。

由此， First Light Fusio公司开发的高速“气枪”就以“枪虾”命名。据称这种“枪虾”核聚变方式，距离发电理想大大前进了一步，且相比采用昂贵的高能激光发射器，成本低多了。目前该公司计划采用这种技术，在2030年开办一个实验工厂来生产电力。

这完全称得上是一匹黑马，是惯性约束可控核聚变开发方面的一支奇葩，是真正的创新和弯道超车，目前很被看好。

根据报道，这家位于西雅图的初创公司 开发了一套叫 Z-pinch的系统，这套装置采用的是一条与托卡马克装置完全不同的路线，摒弃了托马斯克装置中大量昂贵的磁铁、磁线圈、屏蔽材料，以及为了保护它们需要的复杂网络，只是利用等离子体本身的磁场，将自己约束在一个相对较短的柱子里。

报道采用了一个形象的比喻：将等离子体“钉在”柱子里，并“夹住”它。等离子体本身就是带电的，理论上当然也可以形成磁场和磁阱。报道里只说这种技术叫“ 剪切轴流技术 ”，没有更多地披露技术细节。我们也没有必要去深究它，这些是专业人员的事情。

我们现在知道的是，这项技术已经成功了，并且在500千安培电流下进行了演示。Zap Engergy的首席技术官表示，这套装置叫 FuZE-Q，是第四代Z-pinch设备，下一代将设计为可容纳650千安培的电流，实现收支平衡点，即Q=1。

目前Zap Energy团队拿到了1.6亿美元的C轮融资，雄心勃勃的宣称，下一步将尽快将这项核聚变技术推向市场。 他们设想通过大规模制造反应堆来实现这一目标，这些反应堆将实现模块化，小到可以放在车库里。

这样，这些模块就既可以部署在偏远社区提供电力，也可以组合起来形成大规模集合体，提供整个城市电力。这种装置不像经典的托卡马克装置和惯性约束那样，需要昂贵的材料，成本大大下降，更容易被 社会 接受和普及。

那么，这几种从经典可控核聚变技术中脱颖而出的新技术，会不会对各国的经典常规技术造成打击和冲击呢？目前很难判断。但我觉得， First Light Fusio和 Zap Engergy这两家初创公司的技术的确很令人震撼和大开眼界。

当实力雄厚的世界级大公司和国家扶持的顶级研究机构，几十年如一日孜孜不倦地沉浸于经典技术中，一点一点往前挪动时，这几个小公司却独辟蹊径原创性地开辟出自己的一片新天地，既大大降低了成本，又缩短了预期，这似乎才是真正地弯道超车，无招胜有招啊。

当然，华山论剑，谁主沉浮，还未有定数；是骡子是马，还得拉出来溜溜；谁能点亮世界上可控核聚变商业运用的第一盏灯，才是王者。会是我们吗？希望是，但还须拭目以待。

今天就说这些，欢迎讨论，感谢阅读。

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