人类能源需求终极解决方案面世

19期《多维CN》与16期《多维TW》即将上市，与读者见面。《多维CN》于香港、澳门各大零售报摊及新加坡书店有售；《多维TW》于台湾7-11超商、全家便利店、金石堂、诚品书店及各大传统书店有售。

以下是本期杂志副刊科技栏目文章《无尽能量之源——核聚变》，以飨读者。

导语：能源是驱动人类社会发展的动力，但迄今为止各种能源都会受总量、时间和地域限制，聚变能源的开发，则可能“一劳永逸”地解决人类能源需要。

不久前由中国物理学家创造的可控核聚变反应时间纪录引发科技界高度关注。据报导，他们在实验室中制造出了比太阳中心温度还要高的氢等离子体，并且稳定燃烧了1分多钟。什么是可控核聚变？很危险么？什么是等离子体？为什么1分钟就引起了轰动？这些名词背后蕴含了什么深远意义？

1952年10月31日进行的世界首次热核爆炸试验(图源：Getty/VCG)

核聚变是什么

根据爱因斯坦的质能方程，当较大的原子分裂成较小的原子时，小原子总质量会小于原来大原子质量，这部分减少的质量会以能量形式释放出来，就是通常所说的核裂变反应。与此一过程相逆，当质量较小的原子合并成质量较大的原子时，也会伴随质量减少和能量的释放，这就是所谓的核聚变反应，简称核聚变（nuclear fusion），又称核融合、融合反应、聚变反应。

与核裂变不同的是，使原子彼此合并，发生核聚变，必须使它们的原子核接近到飞米级（10-15米）。而要达到这个距离，就需要把它们加热到很高的温度（几千万摄氏度以上），从而使原子核具有很大的动能，以克服电荷间极大的斥力。因此，核聚变反应又叫热核反应。

最常见发生核聚变的原子包括氘、氚、氦等。氘和氚是氢的同位素，一个氘核和一个氚核结合成一个氦核，这个核反应可释放17.6MeV（1MeV等于1.60217662×10-13焦耳）的能量。这种氘和氚的聚变被称为“第一代”聚变，其优点是燃料便宜，缺点是反应过程中伴随有中子产生，而中子对于人体和生物都非常危险，传说中的中子弹就是利用了中子的这种杀伤力。另外中子可以跟反应装置的墙壁发生核反应，使得反应装置墙壁用过一段时间之后就因为受损伤而必须更换。“第二代”聚变是氘和氦的反应。这个反应的本身不产生中子，但其中的氘氘有小概率会发生聚变反应产生中子，尽管总量非常非常少。如果第一代电站必须远离闹市区，第二代基本可以直接放在市中心。“第三代”聚变是氦氦的反应，这种聚变完全不会产生中子，所以也被称为终极聚变反应。

虽然核聚变是发生在最小的原子之间的反应，但其单位质量的能量密度几乎是目前已知各种能源方式中最大的。目前人类所有能源的终极来源—太阳（石油、天然气等能源来自于百万年前的太阳能），就是一个时时刻刻在发生著核聚变的星体，即太阳的能量来自它中心的核聚变。同等质量下，核聚变释放的能量比核裂变要大得多。另外，对比于核裂变，核聚变反应前后的原料和生成产物中都没有放射性物质，所以它不会像核裂变一样会造成环境污染或者产生核废料。

最重要一点是，相比较其他各种能源，核聚变的燃料供应充足。核聚变能利用的主要燃料氘，大量存在于海水中。海水中大约每6,500个氢原子中就会有一个氘原子，由此可以计算出海水中氘的总量约45万亿吨。而每升海水中所含的氘完全聚变所释放的聚变能相当于300升汽油燃料的能量。按世界消耗的能量计算，海水中氘的聚变能可用几百亿年。另一种核聚变主要燃料氚则可以由锂制造。地球上锂的储量虽比氘少，但也有两千多亿吨，足够人类用来进行氘氚反应。因此，核聚变能可以说是一种取之不尽、用之不竭的新能源，足以满足人类未来几十亿年对能源的需要。从这个意义上来说，聚变能源的开发，将“一劳永逸”地解决人类的能源需要。

热核聚变应用面临的困难

核聚变能源虽然取之不尽、用之不竭，但如何安全、可控地利用聚变能源却是人类一直在努力仍然没有解决的问题。原子弹是不加控制地释放核裂变能量的产物，在第一颗原子弹爆炸后仅十多年，人们就找到控制裂变反应的办法，并建成了裂变电站。然而，作为不加控制地释放核聚变能量的产物，氢弹第一次爆炸后直到现在，人类仍然不能很好地控制其反应过程，更不用说建成聚变电站。

时刻发生著核聚变的太阳，其中心温度达到1,500万摄氏度，另外还要有巨大的压力才能使核聚变正常反应。地球上没办法获得巨大的压力，只能通过提高温度来弥补，这样一来所需要的温度要到上亿度才行，然而如此高的温度没有一种固体物质能够承受。实际可作为能源使用的受控热核聚变反应，只能利用等离子体状态下的原子，并将它们加热到亿万摄氏度的高温，而这些等离子体也必须依靠强大的磁场来约束。这种聚变方式被称为磁约束核聚变。

太阳可谓是一个大规模的核聚变反应堆(图源：Getty/VCG)

磁约束核聚变是一种安全的反应过程，不会像核裂变一样发生失控。如果反应过程出现任何异常，等离子体的温度就会下降，核聚变反应也就随之停止。

实现磁约束核聚变方法中，最著名的是“托卡马克”型磁场约束法。托卡马克是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。它的名字Tokamak来源于环形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnit）、线圈（kotushka）。托卡马克的中央是一个环形真空室，外面缠绕著线圈。在通电时托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度并且约束在很小范围内，以达到核聚变的目的。托卡马克装置虽然在实验室条件下已接近于成功，但要达到工业应用还差得远。

与磁约束核聚变相对应，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，装入直径大约几毫米的小球内。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，使得球面内层向内挤压，就像喷气飞机喷射空气而向前运动一样。小球内气体受挤压而压力升高，并伴随球面吸收能量而温度急剧升高。当温度达到点火温度时，小球内气体便发生爆炸，并产生大量热能。如果这样的爆炸能连续不断地进行下去，就可以作为发电站源源不断地输出能源。惯性约束聚变的原理虽然简单，但是现有的激光束或粒子束还达不到点火温度所需要的功率，所以使得惯性约束核聚变仍是可望而不可即。

尽管实现受控核聚变的道路漫长艰难，但其美好的前景仍然正吸引著各国科学家不断努力前行。美、法等国在20世纪80年代中期发起了耗资46亿欧元的国际热核聚变实验堆（ITER）计划，旨在建立世界上第一个受控热核聚变实验反应堆。ITER计划建造的是托卡马克反应装置，中国于2003年加入了该计划，并在项目中承担了10%的工作量。

虽然初期承担工作量较小，但中国在ITER项目中扮演的角色却越来越重要。在2016年，由中国研制的热核聚变堆核心部件在国际上率先通过认证。科研人员用三种材料组成“三明治”结构，并在和多个国家的竞争中率先摸索出让三种材料紧密结合的创新工艺。在权威机构进行的试验中，该材料经受住了比设计标准还高20%的极端高温环境考验，这是中国对国际热核聚变实验堆项目的重大贡献。

合肥市科学岛内，市民参观世界上首个全超导托卡马克核聚变实验装置(图源：VCG)

除了参与ITER项目，中国自己也在开发研制核聚变实验装置，并命名为EAST。EAST由Experimental（实验）、 Advanced（先进）、Superconducting（超导）、 Tokamak（托卡马克）4个单词首字母拼写而成，它的中文意思即是“先进实验超导托卡马克”，同时具有“东方”的含意。EAST装置由中国耗时8年、耗资2亿元人民币自主设计、自主建造而成。与ITER相比，EAST在规模上小很多，但两者都是全超导非圆截面托卡马克，即两者的等离子体位形及主要的工程技术基础是相似的，而EAST至少比ITER早投入实验运行10年至15年。

2016年底中国创造的核聚变新世界纪录就是在EAST上获得。这一控制时间并非历史上的最长纪录，但这是等离子体被控制在一种高效稳定态H-mode（高约束模式）下获得的最长时间纪录，其重要性在于高约束模式是被物理学家认为的未来核聚变电站的最佳工作状态，所以这1分钟的突破对于后续核聚变电站的研究具有质变的意义。

（未完待续）