#核聚变、核裂变反应堆有吸热的吗#

引言

核能技术以核裂变与核聚变为核心，两者的能量释放机制截然不同，但在工程应用中均面临一个共同挑战：如何高效管理反应堆内产生的巨量热能。本文将从热力学视角切入，探讨核裂变与核聚变反应堆中的“吸热”机制——即热能吸收、传递与控制技术，并基于最新科研进展与工程实践，解析其科学原理与技术难点。

一、核裂变反应堆：从热能释放到冷却系统

核裂变的能量来源于重原子核（如铀-235）分裂时释放的动能与辐射能，每次裂变平均释放约200 MeV能量。然而，这些能量的95%以上以热能形式集中在燃料元件中，需通过精密的热管理系统防止堆芯过热。

冷却剂与热交换
压水堆（PWR）采用三级回路系统：一回路的高压水直接接触燃料棒，吸收裂变热后升温至300℃以上，随后通过蒸汽发生器将热量传递给二回路的水，生成蒸汽驱动汽轮机发电。沸水堆（BWR）则通过单回路直接利用堆内沸腾产生蒸汽。燃料包壳需耐受高温（>1000℃）与中子辐照，锆合金因其低中子吸收特性成为主流选择，但福岛事故后，耐高温的碳化硅复合材料成为研究热点。

停堆后的余热管理
即使反应堆关闭，裂变产物的衰变热仍需持续冷却。例如，一座1 GW压水堆停堆1小时后，衰变热仍达运行功率的1.5%。现代核电站通过被动安全系统（如重力注水）确保长期冷却能力，避免类似切尔诺贝利或福岛的熔毁风险。

二、核聚变反应堆：极端高温下的热约束与能量提取

核聚变通过轻核（如氘、氚）结合释放能量，单位质量燃料的产能是裂变的4倍以上。然而，聚变需在1.5亿℃的等离子体环境中维持稳定，其热管理难度远超裂变。

磁约束聚变的热控制
托卡马克装置（如ITER）通过超导磁体将等离子体约束于环形真空室，避免与容器壁接触。等离子体辐射的热能通过第一壁材料（钨或铍）吸收，再经液态锂包层循环导出。2022年，JET实验实现59兆焦耳聚变能输出，能量增益因子（Q）接近1，标志着聚变能净输出迈出关键一步。ITER的目标是Q≥10，未来商用堆需达到Q≥30以实现经济性发电。

惯性约束与材料创新
美国国家点火装置（NIF）采用激光压缩氘氚靶丸，2022年首次实现“净能量增益”（能量输出超输入）。其热管理依赖液态金属（如锂）冷却剂，同时解决中子辐照导致的材料脆化问题。

三、技术挑战与未来方向

裂变堆的优化路径
第四代反应堆如钍基熔盐堆（MSR）利用液态氟化盐同时作为燃料和冷却剂，热效率提升至45%以上，且具备固有安全性。小型模块化反应堆（SMR）采用一体化设计简化冷却系统，如NuScale的轻水堆模块可被动散热72小时无需外部干预。

聚变堆的工程化突破
高温超导磁体技术（如REBCO带材）使磁体强度提升至20特斯拉以上，缩小聚变装置体积并降低成本。ITER的液态锂包层设计可增殖氚，理论上1 kg氘足以满足60年人均能源需求。

四、结论：热管理——核能安全的生命线

无论是裂变的“稳态吸热”还是聚变的“极端控温”，热管理技术均是反应堆安全与效率的核心。随着中国EAST装置实现1亿℃等离子体千秒运行，以及美国Helion能源公司计划2028年建成50 MW聚变电厂，人类正逐步逼近“人造太阳”的终极能源梦想。

参考文献

• 国际原子能机构（IAEA），《先进裂变堆热工水力设计指南》，2023年
• ITER组织，《聚变能开发白皮书：从科学验证到商业应用》，2024年
• 《自然·能源》期刊，钍基熔盐堆热效率研究专刊，2025年
• 美国能源部《国家点火装置技术报告》，2023年
• 《核工程与设计》期刊，小型模块化反应堆安全系统分析，2024年
• 欧洲聚变联盟（EUROfusion），JET实验数据公开报告，2022年