“中国环流器二号M”科普解读

  2019年底，由中核集团承建的我国新一代可控核聚变研究装置“中国环流器二号M”已建成，调试顺利之后，将于今年投入运行，为我国核能利用研究工作做出贡献。

  核能，顾明思议是指原子核的能量，能够最终靠核裂变、核聚变或放射性核衰变释放开来。化学反应也可以释放能量，它是通过原子跟原子之间的重组过程来实现能量的吸收或释放，在化学反应过程中，所有的原子核没发生变化，也就是原子的种类和数量没有发生明显的变化。

  而核能的释放过程则伴随着原子核的变化，也就是反应前的原子跟反应后的原子不一样了。由于放射性核衰变的过程很缓慢，工业利用价值不大，所以人类主要是通过核裂变和核聚变反应来利用核能。例如和氢弹就分别利用了核裂变和核聚变的原理。

  目前世界上的核电站都采用的核裂变的原理。核裂变是指由较重的（原子序数较大的）原子，主要是指铀或钚，裂变成较轻的（原子序数较小的）原子的一种核反应或放射性衰变形式。在核电站最常见的核燃料是铀-235。

  铀-235原子经中子撞击后，裂变成为两个较轻的原子，同时释放出多个中子。释放出的中子再去撞击其它的铀-235原子，从而形成连锁反应而自发裂变。原子核裂变时除放出中子还会放出热，核电站用以发电的能量即来源于此。

  可以想象，如果任其发展下去，中子撞击铀-235原子之后释放多个中子，然后这些中子再去撞击新的铀-235原子，反应将连续进行下去，最终瞬间释放出巨大的能量，就成了了。

  而人类之所以能利用核裂变发电，主要是因为我们有办法能控制它，让它温和地发生反应，而不是像一样剧烈反应。人类控制核裂变反应有三种方法：第一是将核原料也就是铀-235原子稀释，让原子跟原子之间不要挨得太近，降低中子撞击铀-235原子的概率；第二是使用慢化剂，将核反应中释放的快中子慢化成反应能力会比较低的热中子；第三是使用冷却剂，将核裂变堆芯温度降低，使反应活性降低。有时候冷却剂也是慢化剂。

  核聚变，是指将两个较轻的原子核结合而形成一个较重的原子核和一个极轻的核（或粒子）的一种核反应形式。比方说两个氚原子，在一定条件下（如超高温和高压），会发生原子核互相聚合作用，生成中子和氦-3，并伴随着巨大的能量释放。宇宙中恒星（包括太阳）的能量就是由核聚变产生的。

  如果要进行核聚变反应，首先就必须提高物质的温度，使原子核和电子分开，处于这种状态的物质称为“等离子体”。但我们大家都知道原子核带正电，彼此间会互相排斥，所以很难接近。若要克服其相斥的力量发生核聚变反应，就必须适当提高等离子体的温度、密度和封闭时间﹝维持时间﹞。由于提高物质的温度能使原子核剧烈转动，因此温度上升，密度变大，封闭的时间越长，原子核间彼此接近的机会越大。

  目前人类已能实现不受控制的核聚变，如氢弹的爆炸；也可以在实验室触发可控制核聚变，但必须消耗能量（温度要达到约1亿度），输入的能量比输出的能量还大，或者核聚变发生时间极短。要想能量可被人类有效利用，一定要能合理的控制核聚变的速度和规模，实现持续、平稳的能量输出。

  由于等离子体很快就会飞散开来，所以要可控发生核聚变必须先将其封闭。用来使等离子体封闭的方法有许多种，太阳内部是利用巨大重力使等离子体封闭，而在地球上则一定要采取别的方法。目前主要的几种可控制核聚变方式：激光约束（惯性约束）核聚变和磁约束核聚变（托卡马克）。

  中国环流器二号M是利用磁约束核聚变的原理。磁约束聚变的作法是，先加热燃料，使它成为等离子体形态，再利用磁场，封闭住高热等离子体中的带电粒子，将它约束在装置内进行螺线运动，在运动过程中进一步加热等离子体，直到产生核聚变反应。

  中国环流器二号M（HL-2M）是HL-2A的改造升级装置。改造后拥有更先进的结构与控制方式，具备更强的二级加热功率，等离子体温度将有望超过2亿摄氏度。磁约束聚变装置通常随着尺寸增加，产生不稳定的状况也非常严重，而中国环流器二号M配建大功率加热系统，提高等离子体温度和控制等离子体行为，可以有效控制磁流体的不稳定性。

  世界上最大的磁约束等离子体物理学实验是国际热核聚变实验反应堆（ITER），建在法国南部。ITER工程的目标是从等离子体物理实验研究，到大规模电力生产的核聚变发电厂的建设。“ITER”在拉丁文意为“道路”，因此这个实验的缩写“ITER”也代表着和平利用核聚变能源之路。

  ITER能容纳的等离子体厚度将是当下最大托卡马克反应堆的11倍。而之所以要建造如此大型实验装置原因很简单等离子体流越大、越长，发生核聚变反应的机会也就越大。ITER建设始于2013年，预计将于2021年完成建设并启动反应堆，并于2025年开始等离子体实验，2035年开始做全氘-氚聚变实验。该项目是由七个成员实体资助和运行，欧盟、印度、日本、中国、俄罗斯、韩国和美国。来自35个国家的数千名科学家和工程师合作参与。

  中国环流器二号M将瞄准和ITER物理相关的内容，着重开展和燃烧等离子体物理有关的研究课题，成为中国开展与聚变能源紧密关联的等离子体物理和聚变科学研究的不可或缺的实验平台。未来中国科学家将结合ITER工程建造和即将开展的物理实验研究以及国际聚变能研究发展的最新最近成果，在该装置上开展与聚变能研究相关的物理实验。

  核聚变相比核裂变有很多优点，它产生的核废料半衰期极短，对环境友好，假如发生核泄漏，总危害较低，最多只有一公里内需要撤退。如果不维持核约束核聚变反应就会立刻停止，安全性也更高。核聚变的原料来源很广泛，如氘和氚的核聚变反应，其原料可直接取自海水，几乎取之不尽。

  核聚变是比较理想的能源获得方式，因此绝大多数的反核能发电社会运动，都不反对核聚变发电。科学家正努力研究怎么样控制和利用核聚变，而虽然已经取得一些成就，但仍然还有非常长的路要走。