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可控核聚变的技术难点在哪里？
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发布时间：2020-12-06加入收藏来源：互联网点击：
可控核聚变的技术难点在哪里？
回答于 2019-09-11 08:43:50
回答于 2019-09-11 08:43:50
核聚变是两个较轻的原子核聚合成为一个较重的原子核的过程，这个过程中会伴随着释放出巨大的能量，这种典型的反应，在太阳上已经进行了50亿年。
自然界中最容易实现的核聚变反应就是氢的同位素——氘和氚的聚变，这也是太阳上面进行的核聚变的原理。一直以来，人类都渴望掌握可控核聚变技术，因为核聚变相对于核裂变来说，不仅产能效率更高，而且更加清洁，核聚变是真正的清洁能源。可控核聚变也被称之为人造太阳，因为太阳发光发热的原理就是核聚变。
人类最早认识到核聚变的巨大潜力是从氢弹爆炸开始的，传统的原子弹，TNT当量最多几百万吨，但是氢弹就不同了，理论上可以无限。氢弹被发明的时候，有科学家就想能不能制造一个装置，让氢弹爆炸能够缓慢进行，然后能够持续稳定输出能量，这一设想，实在是很美好的，但是实施起来的难度却很大。
既然说到了可控，那么就必须想一种方法让能量稳定输出，让反应缓慢稳定进行才行。但是说起来容易做起来难，真正想要让能量稳定输出，是非常困难的事。首先一点就是反应的条件，要知道氢弹爆炸和原子弹爆炸不一样，原子弹爆炸可以直接用普通炸药引爆，但是如果是用普通炸药的话，无法满足氢弹爆炸的条件，所以氢弹是用原子弹引爆的，而原子弹则是用普通炸药引爆，可见氢弹的反应条件比原子弹要苛刻得多。。
一般来说，核聚变反应发生的温度在上亿摄氏度，所以这样一来怎么加热就是第一个要解决的问题。上个世纪前苏联的专家就想到了用激光加热核物质的方法，但是往往一个激光不足以满足热量供应，所以都是用多个激光对着一点加热，但是与此同时另外一个难点摆在了面前，那就是必须保证各个方向受到的热辐射都是一样的，这也是一个不小的挑战。
加热的方法有了，又来了一个难题，那就是这么热的东西，该用什么东西盛放才行呢？实际上地球上没有任何物质能够承受如此高的温度，所以科学家们就想出了一个用磁场约束等离子体的方法，就是让高温等离子体不与容器直接接触，这样实现的是一种变相约束。这些问题都解决了，但是还不够，因为如果不能稳定持续运行的话，前面做得再好也没有用，目前看来，能够稳定运行一两分钟并且持续输出能量已经是很不错了。
之所以会这样，那是因为一旦温度过高的话，电子就会从原子中脱离出来，物质的第四态就会明显，也就是常说的等离子体。问题就出在等离子体身上，问题在于虽然我们都知道约束等离子体的各种基本方程，但是实际上等离子体的各种行为往往是不了捉摸的，我们所做的只能是近似计算而已，所以可能是我们这个时代的数学工具约束了我们。目前看来，可控核聚变的实现还在很久以后，不过相信人类一定可以解决这一难题的。
回答于 2019-09-11 08:43:50
答：可控核聚变，需要把聚变材料束缚在装置内，使之达到上亿度的温度，然后发生聚变反应释放能量，并且实现稳定输出。
目前实现可控核聚变的方式有两种，一是超强激光束进行能量聚焦，二是托卡马克装置。
激光方面美国的技术最先进，但还是远远达不到商用可控核聚变的程度，该技术需要使用尽可能多的激光束，把能量聚焦到一个点上，每个方位的能量输入不能有偏差，这点难度就非常高，而且强激光对光学设备的要求极高。
而托卡马克装置，在技术上稳步进展，国际上已经能实现输出能量大于输入能量的水平，我国的“人造太阳”也达到了较高的水平。
但是托卡马克装置还存在很多技术瓶颈，距离商用还有很长的距离，比如以下两个难点：
第一壁
可控核聚变主要用到氘核与氚核聚变，反应方程式为：
3H+2H→4He+n，ΔE=14.6MeV;
原子在高温下将成为等离子态，利用磁场可以把原子核与电子分离出来，等离子电浆在托卡马克装置中被束缚；但是反应产物中子不带电，高能中子会频繁撞击内壁，造成内壁物质不可逆转的改变。
虽然等离子体被磁场束缚，但是内壁温度还高达1000℃，在等离子体解体时，内部温度高达3000℃；如果没有应对这种极端条件的材料，频繁更换内壁将是很麻烦的事。
超导材料
托卡马克装置的关键，就是需要利用超导体来制造强磁场，磁场越强束缚高温等离子体的能力越强，目前的超导材料需要在130K温度附近实现。
一边上亿度的超高温等离子体，一边需要保持零下100多摄氏度的超导体，如何把两个系统长时间放到一起稳定运行是一大难点，而且核聚变的中子无法100%隔离，高能中子还会损害超导线圈。
目前期望的解决途径，就是常温超导体，利用常温超导体能大大降低超导系统的复杂程度，但是常温超导体的研制，还没有突破性进展。
除了以上两点，氚元素的来源、磁束缚时间、能量控制、产物导流等问题都有待攻克。
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回答于 2019-09-11 08:43:50
人类和平利用原子能已经半个多世纪了，但是一直局限在可控核裂变阶段，更加强大且安全的可控核聚变技术迟迟没有突破
宇宙中的恒星就是天然的可控核聚变反应堆，它们都是用自身巨大的质量让内核变成高温高压环境，进而让氢元素发生核聚变反应，我们的太阳内核达到了1500万摄氏度，压强是地球的2000亿倍。
可控核聚变所需的氘在地球的海洋中就能提取出来，总量为40万亿吨的氘如果全部用来可控核聚变，那么产生的能量足够人类“挥霍”上百亿年，可以从根本上解决能源危机和环境污染问题，因此世界各国对可控核聚变的研究一直都十分重视，但现在也只能将可控核聚变反应维持几百秒。
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