“核能”的威力

李會超

太陽每天東升西落，給予地球光和熱。植物利用太陽光的能量，可以進行光合作用，為地球提供源源不斷的氧氣和有機物。煤和石油等化學燃料中蘊含的能量，歸根結底也來自遠古植物的光合作用。所以，可以說太陽就是地球的能量之源。

我們已經知道，太陽的光和熱來自“核聚變”。那么，核聚變到底是什么？它的威力有多大呢？一起來探秘吧！

釋放巨大能量的核反應

汽車在行駛時能夠將燃油的化學能轉化為驅動汽車的動能;煤爐在燃燒時會將煤的化學能轉化為熱能（也稱“內能”）;火力發電廠則是將煤或石油的化學能轉化為電能供大家使用。在我們的日常生活中，燃燒煤和石油，是獲取能量最常見也是最便捷的方式。在燃燒產生的化學反應中，化合物中的原子改變了組合的方式，但原子本身的元素種類沒有改變。

20世紀初，物理學家發現了一種更有效的釋放能量的方式——核反應。與化學反應不同的是，在核反應過程中，原子本身的元素種類會發生改變。核反應后生成的物質質量比核反應之前要小，而減少的那部分物質轉化成了能量。

核反應分為核聚變和核裂變兩種。簡單來說，核聚變是幾個小原子核聚合成一個大的原子核，而核裂變則是一個大原子核裂變成幾個小原子核。早在“二戰”末期，人們就已經開始利用原子能制造威力巨大的新型武器——原子彈。1945 年，美國向日本的廣島和長崎投下兩顆原子彈，給日本造成了巨大的災難，使日本最終放棄抵抗，無條件投降。而這也是原子彈在實戰中的唯一一次應用。“二戰”之后，美國和蘇聯相繼研發了威力更大的氫彈。氫彈和原子彈一樣，也都是利用核反應釋放的巨大能量，爆炸產生殺傷力。但氫彈與原子彈不同的是，氫彈利用的是核聚變反應，而原子彈利用的是核裂變反應。

無論原子彈還是氫彈，都是不可控的核反應形式。它們可以在戰爭期間快速摧毀敵方的城市，卻不能在和平時期為人們所用。在原子彈出現之后，人們又發明了可以控制的“核裂變反應堆”。在反應堆中，人們可以通過注入粒子的數量控制核反應的速率，從而讓核反應緩慢逐步地發生。在民用領域，核反應堆被應用到核電廠發電;而在軍事領域，核反應堆則為核動力航空母艦和潛水艇等提供了強勁而持續的動力。

目前，可以使用的核裂變燃料及核反應之后的生成物，都具有對人體和環境有害的放射性。因此，無論是核反應堆的日常運行，還是核廢料的處理，都要特別小心。

與核裂變相比，核聚變使用的原料更加清潔，放射性污染的風險更小。然而，核聚變發生的條件十分苛刻，目前人們還沒有完全掌握可控的核聚變技術。但是，你知道嗎，一種可控的核聚變已經在太陽內部進行了幾十億年。

太陽內部的可控核聚變

核聚變只有在原子克服了彼此之間的超強靜電斥力，彼此接近到距離非常近的程度時才有可能發生。在引爆氫彈時，觸發核聚變靠的是先行引爆的一顆小型核裂變原子彈所產生的溫度和壓強。而太陽這樣的恒星，發生核聚變靠的則是自身物質在重力作用下的擠壓。在太陽形成的過程中，原始星云的物質不斷向中心收縮，中心的密度和壓強持續增高，迫使氫原子核相互接近，進而觸發了核聚變反應，形成了原恒星。

當太陽由原恒星成長為一顆成熟的恒星后，核反應的速率與恒星物質的重力達到了精妙的平衡。如果太陽從平衡態向外膨脹，中心受到的擠壓減小，核反應的速率就會降低，產生的能量就會減少，恒星中心的溫度就會下降。這樣一來，恒星中心向外膨脹的力無法支撐恒星向中心收縮的重力，膨脹過程就無法持續。相反，如果太陽從平衡態向內收縮，就會使核反應加速，產生更大的向外膨脹的力，收縮過程同樣無法持續。總之，一旦步入壯年，太陽向外擴張便會后勁不足，向內收縮又會受到很大的抵抗力，因此它只能保持一個相對穩定的狀態，同時進行穩定的可控核聚變。

在太陽的內部，核聚變反應僅僅發生在日核區，因為只有這個區域的密度和壓強能夠滿足核聚變反應的要求。在日核區高溫高壓的環境下，太陽中的氫原子持續而緩慢地發生核聚變反應。4個氫原子將會聚變成1 個氦原子，同時釋放電子、高能伽馬光子和能量，以維持此處的高溫狀態，使核反應能夠持續下去。在日核區以外、最靠近日核區的圈層，核反應產生的能量以輻射的方式向外傳播。再往外，能量傳播的主要方式變成了等離子體的對流。因此，這兩個圈層也被稱為輻射區和對流區。由于溫度的降低，這兩個層區內沒有核反應發生。高能伽馬光子與組成太陽的離子、電子不斷碰撞，不斷重復“先吸收后輻射”的過程，形成了X 射線、紫外線、可見光等多個波段的輻射。我們能夠用肉眼察覺到的可見光，就主要產生于對流層以上的光球層。

人造太陽——托卡馬克

雖然目前人類還沒有研發出像核反應堆那樣成熟實用的人工可控核聚變裝置，但這方面的先驅性研究已有不少，其中研究進展最明顯的是一個名為“托卡馬克”的裝置。這種裝置試圖像太陽一樣，借助可控核聚變的方式來獲得能量，因此也被人們形象地稱為“人造太陽”。

前面講到，要發生核聚變，就必須讓原子克服靜電斥力，相互接近。而這一過程，可以通過給物質加熱的方式來實現。物質的溫度越高，內部粒子“四處亂撞”的不規則運動就越劇烈。計算表明，在地球上可以產生的壓強下，需要把物質加熱到數千萬攝氏度以上，才有可能觸發核聚變反應。然而，如此高的溫度，任何材料都無法承受，進行核聚變反應的容器會在瞬間被氣化，導致核聚變無法進行。

為了解決這一問題，科學家想到利用磁場的無形約束，來將高溫粒子束縛在容器內部，并且與容器壁脫離。磁場之所以有這樣的本事，是因為在如此高的溫度之下，物質已經被電離成等離子體態，組成等離子體的離子和電子都是帶電粒子，能夠與磁場相互作用。“托卡馬克”就是這樣一種用磁場約束高溫等離子體，進行核聚變反應的裝置，它的形狀很像一個放倒的輪胎。高溫等離子體和“托卡馬克”外壁之間形成了一個接近真空的“隔熱層”，能夠保護外壁不被燒穿。

目前，僅有少數幾個國家正在用托卡馬克裝置進行可控核聚變研究。中國科學院等離子體物理研究所的“東方先進超導托卡馬克（EAST）”裝置，是目前世界上幾個先進的托卡馬克裝置之一，它的磁場全部由超導系統（一種由電阻接近0的材料構成的系統，能夠穩定產生強磁場）產生。目前，EAST 已經實現了1000秒的點火時間。所謂“點火時間”，是指托卡馬克裝置內的核聚變反應被觸發后，能夠自發維持核聚變反應的時間。1000秒的點火時間雖然不長，但在國際上已屬領先水平。

“認識”太陽使我們發現了核反應，而利用核聚變“制造”太陽或許能夠在未來幫助我們拯救能源不足的地球。

診斷系統

“東方超環”在進行實驗時，科學家們需要全程監控它的各項反應參數。然而，由于“超高溫度”造成的極限環境使得反應參數很難直接測量，科學家們就“迂回”地采用光譜分析來推導里面的各項參數。因為這種方法很像醫生通過聽診來判斷人的健康情況，所以極限環境下的測量系統又被稱為“診斷系統”。

微波加熱系統

采取家用微波爐的微波共振原理，通過數萬倍于家用微波爐的加熱功率將聚變燃料的溫度加熱到上億攝氏度，以達到核聚變所需的反應溫度（相當于數萬個家用微波爐同時運轉）。

電流引線系統

將變電站中的“超大電流”（約為家用電流的1 萬倍）輸入“東方超環”的通電線圈中，以此產生“超強磁場”。因該系統須暴露在室溫環境中，無法使用超導材料，所以電流引線很粗，并且外面還包覆一層水循環冷卻系統來降溫。

低溫分配系統

為“東方超環”上的超導材料分配低溫冷卻劑（主要是零下269 攝氏度的液氦），使超導導體達到所需的低溫，從而使“超大電流”在超導材料上能夠“無阻礙”地通過。

抽真空系統

“東方超環”同時存在著“上億攝氏度”和“零下269攝氏度”兩個極限溫度。真空是有效隔熱的主要手段，也是在地球上盛裝“上億攝氏度”聚變燃料的基礎。抽真空系統可以將整個裝置主機內抽成需要的真空環境，為有效隔絕極高溫與極低溫奠定基礎，并為核聚變反應提供純凈環境。

中性束注入系統

利用中性粒子不受磁場控制的原理，將加速后具有巨大動能的中性粒子與帶電粒子進行碰撞來傳遞能量，從而加熱聚變燃料。