點亮核聚變新能源之路

徐偉

2014年情人節到來的前兩天（2月12日，星期三），美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室點火裝置的科學家為核聚變研究提前獻上了禮物，一篇題為《慣性承壓聚變內爆的燃料增益超過1》的科學論文發表在《自然》雜志上，引起了全世界的轟動，因為這是在全世界范圍內首次實現了燃料輸出能量大于輸入能量。在同期雜志對該項研究的評論文章中，作者指出，盡管這項研究有了突破性進展，但離最終實現所謂的“點火”還有一段差距。

聚變能源是什么

核能發電是利用放射性元素的裂變產生出新能源，而聚變能源是比裂變更為強大的新能源。聚變是輕核（主要是氫的同位素氘和氚）在聚合成較重的原子核時，釋放出巨大能量的過程。太陽發光發熱和氫彈爆炸就是一種聚變。

聚變相當于一個1+1遠大于2的公式，在聚變過程中釋放出的能量非常大，1升海水中的氘，在聚變反應后可以釋放出300升汽油燃燒的能量。與石油、放射性元素這類稀缺資源相比，能進行聚變反應的資源要豐富得多。如果將地球上海水中所含的氘用于聚變反應，可供人類使用上億年，而用于產生氚的金屬——鋰，也有比較豐富的儲量。人類因使用石油帶來了嚴重的環境問題，溫室效應、空氣污染讓我們付出了巨大的代價，然而聚變的反應產物是比較穩定的氦或者水，幾乎沒有污染問題，聚變能源是最“干凈”的能源。

20世紀初，英國物理學家阿斯頓首先發現了聚變反應，他和英國物理學家盧瑟福一起證實了輕元素（原子量較小的元素）以足夠大的能量碰撞會引起核反應。第二次世界大戰期間，美國物理學家費米和匈牙利物理學家愛德華·泰勒提出了氫彈原理和核聚變反應堆的設想。

在“冷戰”時期，核彈成為了軍備競賽的關鍵，在20世紀50年代初，人類實現了聚變核反應——氫彈的爆炸。氫彈先依靠原子彈爆炸時形成的高溫高壓，使得熱核燃料氘氚發生聚變反應，從而釋放巨大的能量，形成前所未有的破壞力。然而，氫彈是破壞性的，而且瞬間的猛烈爆炸是不可控的。在和平年代，把聚變時釋放出的巨大能量利用起來，必須對劇烈的聚變核反應加以控制。因此，實現受控熱核聚變一直是科學家們的夢想。

如何實現可控的核聚變反應

提供極高的溫度

原子核之間距離很近的時候，會發生靜電排斥，這種排斥力非常巨大。只有給兩個核施加巨大的外力，才能使兩個原子核靠近，通過核的力量“黏合”成整體，形成新的原子核，從而發生聚變反應。要使兩個氘核相遇，它們的相對速度必須大于每秒1000千米，從統計力學的角度，粒子的熱運動就是溫度的根源，兩個氘核產生聚變反應時，溫度必須高達1億攝氏度。氘核與氚核間發生聚變反應時，溫度也高達5000萬攝氏度。在高溫之下，物質已全部電離，形成高溫等離子體。

保證充分的約束

為了控制聚變反應的發生，必須對高溫等離子體進行約束，即確保在聚變反應過程中維持高溫等離子體狀態，才能發生充分的聚變反應。如果聚變反應釋放的能量大于產生和加熱等離子體的輸入能量，那么利用聚變反應釋放出的能量就可以維持極高的溫度，無需再從外界吸收能量，聚變反應就能夠自持進行。為實現這一理想，一些科學家用托卡馬克裝置開展了“磁約束聚變”研究。另一條技術路線于20世紀60年代初提出，其基本原理是把強大的激光束聚焦到熱核材料制成的微型靶丸上，在瞬間產生極高的高溫和極大的壓力，被高度壓縮的稠密等離子體在擴散之前，即完成全部核反應，這就是“慣性約束聚變”。太陽對高溫粒子的約束便是依靠引力完成的。

磁約束——國際熱核聚變實驗堆（ITER）

國際熱核聚變實驗堆（ITER）主要利用了磁約束技術，該計劃是1985年由蘇聯領導人戈爾巴喬夫和美國總統里根在日內瓦峰會上倡議提出的。2007年再次啟動該計劃的主要參與方有：中國、歐盟、日本、韓國、俄國、美國、印度。該計劃主要是建設一個能產生50萬千瓦聚變功率、有能力維持大于400秒氘氚燃燒的托卡馬克（大型磁鐵）聚變堆，一旦建成將為商業化供電設備提供技術積累及產品原型設計（圖1）。國際熱核聚變實驗堆計劃輸出能量達到輸入能量的10倍以上，又叫“Q>10”目標。在它30年的運轉周期里預計會耗費大約100億歐元，因此該項目是繼國際空間站之后的第二昂貴的國際科學合作項目。

高度純凈的氘和氚的混合材料被加熱到1億度以上（形成高溫等離子體），才能達到熱核溫度。要實現對核聚變的控制，必須將高溫的等離子體約束在某個容器中。而磁約束技術便是通過磁場，利用洛倫茲力，將帶電的高溫等離子體約束在腔體內。約束等離子體的磁場，雖然不怕高溫，卻很不穩定。另外， 等離子體在加熱過程中能量也不斷損失。

法國諾貝爾物理獎得主皮埃爾-吉勒·德熱納對磁約束有個著名的批評，“我們要把太陽放到一個盒子中，這個想法很妙，但問題是我們不知道怎么來制造這樣的一個盒子”。這就是熱核聚變的另外一個核心問題：如何制造一個裝高溫等離子體的大容器？由于容器壁和高溫等離子體接觸，受到等離子體內發出的高速粒子和輻射的強烈轟擊，放出雜質進入等離子體，就會導致等離子體的冷卻而使熱核反應停熄。同時，還可能引起極大的輻射，因而選擇合適的容器壁材料極其重要，另外輻射防護是必須要考慮到的。

目前，國際熱核聚變實驗堆托克馬克裝置高達10層樓，整個容器的體積達到837立方米，所有的磁場均通過超導線圈產生，磁場高達10特斯拉。在這樣一個容器中，等離子體的密度為1014 克/立方厘米。

慣性約束——國家點火裝置（NIF）

國家點火裝置是由勞倫斯利弗莫爾國家實驗室建造，它主要利用牛頓第三定律的慣性約束來控制核聚變反應。該設施位于美國加州，是一座10層樓的建筑，占地面積約為3個足球場大小，建筑成本35億美元，2009年投入使用以來，運營成本已經達到數億美元。

國家點火裝置的設計意圖是，使用激光達成極端的高溫高壓并施加于一小粒氫燃料球上，從而啟動核聚變反應。目前，國家點火裝置是世界上最大的鐳射裝置，目標是“點火”后就能自給自足輸出聚變能量。endprint

一個長達1000米的廠房設備最終要讓192臺激光裝置在十億分之一秒同時發射，擊中鉛筆頭大小的燃料球，誤差不能超過30皮秒（1皮秒=10-12秒），這幾乎是個不可能完成的任務。國家點火裝置的準確度如同在北京投球要射中沈陽的一個籃框，其命中難度極大，命中率極小。整套裝置要運作必須啟動6萬個高科技裝置，每個裝置都包含復雜的機械構造、電路、高壓電、能量感應器、監視器、自動透鏡、激光，另外還要有精準的電腦反饋安全系統。更難的是，整套設備必須保持零震動和零熱脹冷縮，10噸重的設備其誤差范圍只能有100微米。

這種封閉型核聚變裝置利用外部的注入熱能，以達到封閉區內的高溫高壓。封閉區中央的目標是一個包含若干核燃料（氫或氚）的小球，尺寸大概如豆子大小，小球表面要極其光滑，才能保證聚變實驗順利進行。高溫激光會使小球表面等離子體化，發生內爆。同時爆炸波會使小球均勻地向中央坍縮，使得球中的核燃料在高溫高壓下達到極高的密度，形成高溫等離子體，從而產生核聚變。在內爆時，只要對燃料球給予正確的高溫高壓就能發生鏈式反應，這一現象就稱為“點火”（圖4），這是引發核聚變的重點過程，并且會釋放出巨大能量。在“點火”過程中，整體裝置在一個自持進行的鏈式反應中產生的能量超過其所消耗的能量，這便是核聚變發電切實可行的前提條件。

聚變能源之路

不論是利用磁約束技術的國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃，還是利用牛頓第三定律慣性約束的國家點火裝置（NIF），都屬于大型實驗裝置。無論是從技術上還是科學理論上，核聚變實驗都面臨極大的挑戰。此外，這兩類裝置由于造價昂貴，因而在爭取研究經費的道路上充滿了坎坷，這對于科學家來說是最無奈的、最無法預計的問題。從技術上而言，國際熱核聚變實驗堆預計在2020年末能夠實現真正的點火，為后續發展聚變能源商用電站鋪墊好道路。

在2013年初，國家點火裝置的點火嘗試失敗后，國際媒體上充斥著取消國家點火裝置計劃的討論。而這次國家點火裝置點火成功，可以說讓人們對它又增強了信心，它照亮了人類利用聚變新能源的道路。 但這條路還很漫長，因為這次的實驗持續時間很短，輸出能量與所耗費的能量相差不大。除此之外，點火實驗中還有許多物理問題需要科學家進行深入研究，為下一次的點火做準備。 如果排除掉經費、政治等因素，人類將有可能在21世紀中葉開始真正享受到聚變能源帶來的福祉。

【責任編輯】張小萌endprint