盛樂瑤

當(dāng)?shù)貢r(shí)間2020年7月，國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）在法國南部正式啟動(dòng)。

從綠皮火車到高鐵，從手搖發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電到大型核電站，人類的科技正在高速發(fā)展，我們也正享受著這個(gè)時(shí)代帶來的福利。汽車、飛機(jī)、手機(jī)、電腦……數(shù)不清的現(xiàn)代科技正在改變?nèi)祟惖纳?。由于目前各國主要使用的能源依舊偏向于石油、煤炭等化石原料，這就導(dǎo)致了人類在大力發(fā)展生產(chǎn)、革新工業(yè)的同時(shí)，地球也在負(fù)重前行。而可控核聚變技術(shù)或許能夠改變這一現(xiàn)狀。

想要了解什么是可控核聚變，就要先從核裂變和核聚變的區(qū)別說起。核裂變簡言之是較重的原子核裂變產(chǎn)生比較輕的原子核并且釋放能量的過程，從原子彈到核電站，核裂變帶給我們很多好處，而且現(xiàn)今核裂變技術(shù)已經(jīng)非常成熟。那什么是核聚變呢？核聚變就是兩個(gè)較輕的原子核，在一定條件下聚合為一個(gè)較重的原子核，并釋放出能量的過程。

當(dāng)兩個(gè)原子結(jié)合在一起，形成一個(gè)更重的原子時(shí)，就會(huì)發(fā)生核聚變。在結(jié)合和形成的過程中新原子的總質(zhì)量小于形成它的兩個(gè)原子的總質(zhì)量；此時(shí)“缺失”的質(zhì)量則以能量的形式釋放出來。雖然核聚變的能量非常高，但產(chǎn)生的核廢料卻非常少。

但是在通常情況下，核聚變是無法實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)閹д姷碾x子之間存在強(qiáng)烈的斥力，使它們的密度不夠大，無法發(fā)生碰撞和核聚變。然而，假設(shè)一個(gè)這樣的狀態(tài)：原子核可以克服靜電力，那么它們就可以在非常近的距離內(nèi)到達(dá)某個(gè)位置。在那個(gè)位置，核之間的吸引力（將質(zhì)子和中子在原子核中結(jié)合在一起的力）將超過斥力（靜電），使離子發(fā)生聚變。而實(shí)現(xiàn)這一理論的條件是足夠高的溫度。溫度不同的微觀表象是粒子運(yùn)動(dòng)的劇烈程度不同，當(dāng)溫度升高時(shí)，粒子以更多的能量和更快的速度移動(dòng)，最終達(dá)到足夠高的速度將原子核捆綁在一起，然后離子就會(huì)發(fā)生聚變，產(chǎn)生大量的能量。

托卡馬克裝置內(nèi)部示意圖。

可控核聚變俗稱“人造小太陽”，因?yàn)樘柕脑砭褪呛司圩兎磻?yīng)?？煽睾司圩兙褪窃诤司圩兊幕A(chǔ)上更進(jìn)一步，可以控制核聚變的過程。例如，人類早已實(shí)現(xiàn)了氘氚核聚變——?dú)鋸棻ǎ珰鋸検遣豢煽刂频谋ㄐ院司圩?，瞬間能量釋放只能給人類帶來災(zāi)難。但是如果我們實(shí)現(xiàn)了可控核聚變，那我們就可以控制氫彈爆炸的程度、控制到底怎么爆炸，讓能量持續(xù)穩(wěn)定地輸出。

發(fā)生核聚變的條件非?？量?，需要高溫、高密度、封裝時(shí)間長，這3個(gè)條件缺一不可。高溫可以讓微觀粒子劇烈運(yùn)動(dòng)，高密度可以增大原子核接觸的機(jī)會(huì)，長時(shí)間的封裝環(huán)境可以保持等離子體的狀態(tài)。而可控核聚變所提及的“可控”就是想辦法控制這3個(gè)條件。

那么有沒有一種環(huán)境能夠自然地滿足核聚變所需的這些嚴(yán)苛條件呢？答案是有，那就是太陽。太陽的中心具有1500萬攝氏度的高溫和2000億個(gè)大氣壓的高壓，因此氫在這個(gè)“較低”的溫度下就聚變成了氦。這樣的反應(yīng)已經(jīng)進(jìn)行了差不多46億年，產(chǎn)生了巨大的能量。而在地球上沒有那么高的壓強(qiáng)，要發(fā)生聚變，對(duì)于溫度的要求就更為嚴(yán)苛。所以為了降低聚變反應(yīng)的難度，在地球上通常使用氫的同位素，例如氘（2H）和氚（3H），尤其是兩者的混合物，因?yàn)樗鼈儽葰涓菀走_(dá)到核聚變的要求。

人類目前可以利用核裂變來發(fā)電了，那為什么還要大費(fèi)周章地去研究核聚變呢？事實(shí)上，地球上能夠進(jìn)行核裂變的資源非常有限。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，目前地球上可用于核裂變的成熟材料僅夠人類使用數(shù)十年。相比之下，地球上可以進(jìn)行核聚變的資源要多得多。海洋里含有40萬億噸的氘，這一元素如果全部用于核聚變反應(yīng)，釋放出的能量足夠人類使用幾百億年，而且其反應(yīng)的產(chǎn)物是無放射性污染的氦。

這樣描述核聚變能夠釋放的能量可能不夠直觀，舉個(gè)例子：如果將該元素充分加以利用，每1公斤的氘可以產(chǎn)生近1億度電。未來的我們或許就有用之不盡的電力資源，電費(fèi)價(jià)格將一降再降，很多因?yàn)槟茉磧r(jià)格上漲帶來的問題將會(huì)迎刃而解。此外，核裂變反應(yīng)堆的輻射是β粒子和伽馬射線等，它們可以穿透身體，讓人患上各種癌癥，并破壞人身體內(nèi)“DNA結(jié)構(gòu)”中的鍵。而在核聚變反應(yīng)堆中，只有人體的血管壁會(huì)被聚變過程中的高能中子轟擊。在最壞的情況下，如果所有封閉的聚變?nèi)萜鞅Ｗo(hù)層都破裂了，中子輻射就會(huì)在聚變反應(yīng)停止的一瞬間結(jié)束，因此核聚變反應(yīng)要比核裂變安全得多。

此外，核聚變還有很多好處。首先，可以減輕對(duì)太陽能的過度依賴。太陽之所以能夠給予地球能量，究其原理是因?yàn)樘柕膬?nèi)部在不間斷地進(jìn)行著核聚變反應(yīng)。地球上資源的產(chǎn)生都需要漫長的過程，而人類發(fā)展速度過快，照這樣發(fā)展下去，地球上的資源早晚有用盡的一天。如果人類掌握了可控核聚變這項(xiàng)技術(shù)，就相當(dāng)于在自己身邊造了一個(gè)“小太陽”，不僅能夠大幅度減少對(duì)太陽的依賴，甚至依靠龐大的能量走出太陽系也并非沒有可能。

其次，若我們掌握了可控核聚變技術(shù)，那我們的社會(huì)生活將會(huì)發(fā)生顛覆性的變化。核聚變是清潔高效的能源，可控核聚變完全普及后會(huì)大幅改善和修復(fù)地球的生態(tài)系統(tǒng)，使工業(yè)污染造成的氣候變化得到有效改變，熱島效應(yīng)等一系列溫室氣體造成的影響將會(huì)被逐漸調(diào)節(jié)至正常狀態(tài)。此外，可控核聚變會(huì)使地球上的能量近乎無限。

我們?cè)鯓硬拍茉斐鰜磉@樣一個(gè)“小太陽”呢？實(shí)際上，科學(xué)家們希望發(fā)明一種裝置，可以有效控制聚變的過程，讓能量持續(xù)穩(wěn)定地輸出。

目前，世界上可控核聚變反應(yīng)的核心裝置是托卡馬克裝置。它是一種利用磁約束來實(shí)現(xiàn)受控核聚變的環(huán)形容器，最初是由庫爾恰托夫研究所的蘇聯(lián)科學(xué)家阿齊莫維齊等人在20世紀(jì)50年代發(fā)明的。這一裝置的中央是一個(gè)環(huán)形的真空室，外面纏繞著線圈。通電時(shí)裝置的內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生巨大的螺旋形磁場，將其中的等離子體加熱到很高的溫度，以達(dá)到核聚變的目的。

2005年正式確定的國際合作項(xiàng)目“ITER”（即國際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆項(xiàng)目，這個(gè)項(xiàng)目從1985年開始），力圖建立第一個(gè)試驗(yàn)用的聚變反應(yīng)堆。最初的方案是2010年建成一個(gè)實(shí)驗(yàn)堆，實(shí)現(xiàn)1500兆瓦功率輸出，造價(jià)100億美元。但由于各種原因，這個(gè)項(xiàng)目一直到了2000年也沒有結(jié)果，直到2003年，能源危機(jī)加劇，各國又重視起來，首先是中國宣布加入了“ITER”計(jì)劃，歐洲、日本和俄羅斯自然表示歡迎，隨后美國宣布重返計(jì)劃，緊接著，韓國和印度也宣布加入。

位于中國合肥的“EAST”項(xiàng)目是目前唯一一種能給“ITER”提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的裝置，此外，“EAST”還是世界上第一個(gè)具有主動(dòng)冷卻結(jié)構(gòu)的托卡馬克裝置，它的第一壁是主動(dòng)冷卻的，目前連接的是一個(gè)大型冷卻塔，它的冷卻水可以保證在長時(shí)間運(yùn)行后將反應(yīng)產(chǎn)生的熱量帶走，維持系統(tǒng)的溫度平衡。這一方面是為真正實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的受控聚變邁出的重要一步，另一方面也是核聚變工程化的重要標(biāo)志，冷卻塔換成汽輪機(jī)是可以發(fā)電的。

值得一提的是，2022年12月美國能源部宣布了一項(xiàng)重大的核聚變成就——位于加州的勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室成功取得了核聚變的突破，這是人類歷史上首次取得核聚變的突破。該實(shí)驗(yàn)室在最近的一系列實(shí)驗(yàn)中，通過激光點(diǎn)火的方式，用192個(gè)巨大的激光器，同時(shí)向一個(gè)金屬圓筒發(fā)射，將其加熱到超過280萬攝氏度，產(chǎn)生X射線內(nèi)爆，加熱并壓縮氘氚燃料，引發(fā)核聚變，成功進(jìn)行了可控核聚變，并且獲得了正能量收益，即聚變產(chǎn)生的能量超過了激光消耗的能量。

雖然實(shí)現(xiàn)可控核聚變對(duì)地球、對(duì)人類有很多好處，但前路多艱，開發(fā)“人工小太陽”還面臨著許多挑戰(zhàn)。首先是來自環(huán)境的挑戰(zhàn)。在太陽這樣的恒星中，高溫和強(qiáng)大的引力自然為聚變環(huán)境做好了準(zhǔn)備。但在地球上，人類面臨的挑戰(zhàn)是如何使核燃料變熱，并有合適的裝置來承載這些原料并維持高溫環(huán)境。試想一下，將等離子體，包括氣態(tài)氘、氚離子和原子的混合物，以及氦聚變產(chǎn)物等保持在數(shù)百萬攝氏度的溫度，科學(xué)家們很難找到能夠承受這么高溫度的材料。因此，科學(xué)家試圖將等離子體保持在聚變?nèi)萜鞯膹?qiáng)磁場中。與核裂變相比，這種方法很難實(shí)現(xiàn)。

其次是核聚變?cè)蠑U(kuò)散帶來的風(fēng)險(xiǎn)。核聚變?cè)系墨@取以及聚變所釋放的能量該如何使用是一個(gè)值得探討的問題。不同國家的人對(duì)燃料的儲(chǔ)備有著不同的目標(biāo)，有些國家想要通過這些原料制造原子彈，還有些國家的執(zhí)政方針政策涉及到化石燃料的獲取使用，若有誰能率先掌握可控核聚變技術(shù)，那無疑是手握時(shí)代發(fā)展的方向盤。以美國為例，一旦真正掌握可控核聚變技術(shù)，那么極有可能在能源問題上大做文章，并以此來為其擴(kuò)張霸權(quán)服務(wù)，這將給本就不安寧的國際社會(huì)帶來更大的風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述，目前人類所掌握的科技還無法真正創(chuàng)造出一顆完美的“小太陽”，期待在未來的某天，這顆閃耀著光芒的“小太陽”能夠早日與人類見面，并以公平合理的方式為人類謀福利。

（責(zé)編：南名俊岳）