核聚變

1 未來能源

自人類直立行走、使用工具時起，直至今日，對能源的使用方式幾乎沒有實質性的變化。無論是鉆木取火，還是燃燒煤炭，再到近代的石油、天然氣的大規模開采和深度利用，都是通過破壞燃料的化學鍵來獲得能量。例如：煤炭里的碳元素經過燃燒之后，雖然生成大量二氧化碳，但碳元素本身并沒有改變。

直到到科學家發現了核能，才真正打開了高效利用物質能源之門。與化學能不同，核能直接“破壞”的是原子核內部構成，從而獲得巨大的能量，將一種元素轉變為另一種元素。相比化學能，核能釋放的能量要超其上百萬倍。

獲取核能的方式一般有三種：

1、核裂變：較重的原子核分裂成較輕的原子核。

2、核衰變：不穩定的原子核放射粒子產生能量。

3、核聚變：較輕的原子核聚合成較重的原子核釋放能量。

在一直無私奉獻光和熱的太陽內部，已經進行了40多億年的核聚變。如果人類未來掌握了核聚變技術，就相當于在人類的手中，托起了明天的太陽。

——相比其他能源供應方式，核聚變究竟有什么特殊的魅力，才能被眾多研究者奉為未來能源呢？

首先，核聚變發電擁有其他發電方式無可比擬的“量大質少”的優點。

以一百萬千瓦的電站每年所需燃料來做比較，傳統的熱電廠需要大約200萬噸優質煤，需要33000個火車皮來運輸;燃油電廠則需要130萬噸燃油，約為1000萬桶;核裂變電廠需要約為30噸核原料，幾輛卡車就可以運輸;而核聚變電廠僅僅需要燃料氘0.6噸，一輛小皮卡的運力足以供應。

其次，核聚變所需的燃料儲備巨大。

根據已探明的石油儲量，化石燃料再開采幾十年就會開始枯竭。而核裂變發電所需原料鈾在陸地上的儲量并不豐富，且分布不均，還被少數國家把持著。估計全球適用于開采的鈾礦僅100萬噸左右。但核聚變使用的燃料之一的氘儲量巨大。每升海水中含量有約0.03克氘，可產生相當于300升汽油產生的能量。而全球海洋約為13.8億立方公里，因此氘的儲量非常巨大。以現在全球每年消耗能源來計算，足夠全人類使用數萬年以上。

除此之外，核聚變還很環保，反應過程完全沒有二氧化碳排放，更沒有放射性或者放射性廢物排出。

例如，使用氦-3的核聚變熱核反應堆只會產生沒有放射性的質子，因此使用氦-3作為能源時不會產生輻射，不會為環境帶來危害。而科學家發現月球上儲有大量的氦-3，總計超過100萬噸，按照現在全球能源消耗總量計算，也足可以支撐人類使用數萬年。這為在月球建造基地，探索更遙遠的太空打下了基礎。

2 聚變之路

核聚變是通過兩個較輕的原子核合成一個較重的原子核，并在這一過程中釋放大量的能量。目前實現核聚變反應的必要條件是將核聚變“燃料”不斷加壓加熱，直至開始反應。

雖然說起來很簡單，但實際操作起來要困難得多。

科學家起初并沒有發現核聚變反應，是因為在一般條件下氘核與氚核的混合態不會產生持續的核聚變。原子核由中子和質子組成，這些家伙能夠“和平相處”是由于非常強大的核力將之“控制”在一起，在極為狹小的區域形成原子核。為了打破這一平衡，需要將核子之間的距離壓到小于0.00000000001毫米——在太陽內部的高溫高壓條件下，原子核之間的各種粒子的平衡被打破，氫原子核聚變成氦原子，并釋放出巨大的能量，所以太陽是人類最早認識、距離地球最近、規模最大的核聚變反應裝置。

然而，在地球上我們要如何完成這一過程？

科學家想到的第一個辦法是氫彈——利用原子彈核爆產生的數千萬度的高溫和上億倍的大氣壓強，迫使核聚變的燃料被“點燃”，釋放出巨大的能量。

氫彈的能量釋放劇烈程度遠超人類的想象和掌控，根本無法平和利用。想要在地球表面僅有一個大氣壓強且常溫的環境下“啟動”核聚變是一件相當困難的事情。

但科學家們并未放棄。

3 約束太陽

在《鋼鐵俠》電影中，托尼·史塔克胸口的方舟反應堆（ArcReactor）就是核聚變反應堆。但是在現實世界中，這暫時仍是不可實現的幻想。

想要控制、使用核聚變這種未來能源，必須對核聚變的過程進行約束，使釋放能量的過程不那么劇烈。一般做法是將“點燃”的核聚變燃料封閉在一定的空間內，使用磁約束或者慣性約束方式控制核聚變的整個過程。

首先，要把核聚變燃料（例如氘和氚的混合物）變成“等離子體”。這需要對燃料進行升溫操作，加熱、加熱、再加熱，熱到足以使原子核和電子分開，變成“一鍋等離子體湯”。此時僅僅是得到的帶正電的原子核，它們彼此之間始終是排斥的，讓它們能相互接近到足以開始聚變是一件極其困難的事情。所以必須繼續加熱、加壓，使原子核劇烈轉動，溫度升高，密度變大，封閉的時間越長，彼此接近的機會越大，直到開始反應。

其次，要對等離子體進行約束。一是因為高溫高壓狀態下的等離子體會很快“四散奔逃”，所以這一過程必須在封閉空間內進行。二是普通的“鍋”承受不了“湯”的溫度。等離子體的溫度會被升到千萬甚至上億攝氏度，人類已知的任何容器都無法“盛放”這些滾燙的“等離子湯”。在太陽內部，這就不算事兒了，自有巨大的引力將等離子體約束在內部，不怕“泄漏”。由此，科學家開發出兩種思路，一種是磁約束，另一種是慣性約束。

磁約束顧名思義，由于等離子體帶電，只要制造出足夠強大的磁場，等離子體就會被“吸”在人為制造出來的磁線上，達到將等離子體約束在一定的空間內的目的，然后抽真空阻止熱量外泄，如此可以避免這些超熱的“湯”燒透“鍋底”。

實現磁性約束核聚變的科學實驗儀器中，最著名的是“托卡馬克”裝置，大部分國家目前研究使用的就是這個裝置。雖然從原理上來說這一裝置還算靠譜、安全，但也有致命缺點。托卡馬克裝置需要龐大的配套設備，例如加熱設備、發電設備，加上本身體積龐大，使得投入變得十分驚人，每個裝置的成本都異常高昂。

另一種約束等離子體的方法是慣性約束法。它的另一個名字是脈沖性聚變——首先將幾毫克的氘和氚的混合物放置進直徑幾毫米的小球內。然后使用高能激光束或者粒子束射擊，由于球面吸收了能量、開始像火箭尾焰一般向外蒸發，受到其反作用力，球面內層開始向內沖擊，球體內部的燃料受到擠壓，壓力快速升高，溫度也急劇飆升。

當溫度達到足以產生核聚變的點火溫度時，小球就會爆炸，并釋放出巨大的熱能。因為燃料劑量很小，爆炸的級別也便于控制，時間也很短，只有幾萬億分之一秒。如果在一定的時間內、將這樣的爆炸持續進行下去，所釋放的熱量就有機會順利導出用于發電。

在這一方案中，不再需要托卡馬克裝置的巨大磁約束裝備，但仍然要安裝高能激光和粒子束發生器，占地面積也不會小。

到目前為止，小型的、可實用的聚變核反應堆還只是嵌在鋼鐵俠胸口的幻象，可控的核聚變道路仍然漫長。

4 可控核聚變50年魔咒

以現在的技術來說，別說制作出鋼鐵俠胸口的方舟反應堆，就連實現持續、可控的核聚變反應都難如登天。

之前提到的托卡馬克裝置，從20世紀70年代開始就逐漸顯現出獨特的優越性，自80年代起，各國、組織陸續將其上馬，托卡馬克反應堆成為了研究核聚變的主要途徑。而中國也已經陸續建成了相關裝置，并進行了實驗。例如在2006年建成的“東方超環”EAST，已經實現了大于400秒的超高溫約束等離子體運行。

由于可控核聚變的研究過于緩慢，名為國際熱核聚變實驗反應堆ITER（InternationalThermonuclearExperimentalReactor）的托卡馬克裝置開始被提上議程。這個國際合作組織成立于2007年，由七個成員實體資助和運行，包括歐盟、印度、日本、中國、俄羅斯、韓國和美國。項目預期將持續30年，其中10年用于建設，20年用于運行，耗資超過百億美元。ITER的科學目標是一次放電聚變燃燒維持時間400～3000秒，離子體中心溫度將達到1億～2億度。

但自上世紀50年代提出可控核聚變發電以來，每逢有媒體問道相關的研究者何時能實現。聽到的回答總是50年以后，這之后，一個又一個10年過去了，50年過去了，但仍然沒有看到即將成功的跡象。

這是因為，所有的可控核聚變模型都有一個致命的缺點：輸入的能量大于輸出的能量。

無論是磁性約束還是脈沖核聚變，都需要超大的能量給燃料點火，托卡馬克裝置還需要配套的磁約束設施，額外的消耗的能量更多。但如果給核聚變點火付出的能量大于反應輸出的能量，這項研究就失去了意義。

前幾年曾有報道稱：一些慣性約束實驗——也就是使用激光給燃料球點火的實驗——成功獲得了超過輸入能量的輸出能量。我國的東方超環也曾經在實驗過程中獲得過此類數據。但僅僅是持平或者超過一點點并不能讓核聚變發電得到實際應用，核聚變的得到的能量至少要比輸入能量要高出10倍、甚至30倍才有可能最終推廣發電。現在看來，距離這一目標還很遙遠。

5 核聚變飛船

如果核聚變取得突破性的進展，就足以改變我們的世界，甚至還可以送我們到達更遙遠的宇宙。

以現在的技術來說，磁約束的核聚變或許是核能發電的最優選擇，但未必適用于火箭和宇宙飛船的推進。因為要想約束超高溫的等離子體，必須安裝一個強大的磁場，這需要巨大沉重的永久磁鐵和電磁線圈，不適合從地球上發射至太空，至多只能在太空中直接建造。

使用慣性約束的“小球連續爆炸式”核聚變發動機似乎更適合太空飛船，至少攜帶燃料要輕許多。不過這個方案同樣有個問題，需要安裝的高能激光器也實在不是一個小家伙，位于美國加州的激光型核聚變裝置NIF占地足有三個足球場大，點火用的強激光的能量來源還需要更多的燃料才能實現。

無論是哪一種核聚變發動機，科學家現階段面對的并不是理論難題，而是技術問題。或許在下個五十年，可控核聚變有可能真的獲得突破，屆時無論是火箭還是宇宙飛船，尺寸可以造得更大，人類和貨物裝得更多，飛得更快更遠。

帶上一個太陽，向著群星出發——我們確實可以期待一下這樣的未來。

【責任編輯：遲"卉】