核聚變能應用前景現一絲曙光

瞿立建

2022年12月14日，美國科學家宣布，核聚變研究取得重大突破，實現了能量增益，即輸出的能量大于輸入的能量。物理學家經過幾十年的嘗試，終于實現了這一重要目標。

能量增益了多少？美國的實驗中，輸出的能量比輸入的能量多了相當于1/3千瓦時電能。能量雖少，卻是核聚變發電的一大步。

為了了解這項成就的意義，我們要從頭說起。

什么是核聚變

我們周圍的各種物體都由原子或分子組成，而分子由原子組成。比如，鐵由鐵原子組成；氧氣由氧氣分子組成，一個氧氣分子由兩個氧原子組成；水由水分子組成，一個水分子由兩個氫原子和一個氧原子組成。

原子的中心是原子核，原子核的外面是電子，電子以不同的半徑繞著原子核轉，就像行星繞著太陽轉。原子核由帶電的質子和不帶電的中子組成。質子數相同的原子屬于同一元素，質子數相同但中子數不同的原子互為同位素。

兩個原子可以結合在一起，產生一個或多個新種類的原子，同時減少一點總質量。減少的很小的質量會轉變成巨大的能量，這是物理學家愛因斯坦所預言的。

核聚變產生的巨大能量是非常可怕的，核武器氫彈就是利用的核聚變的威力。天上的恒星，包括太陽，利用核聚變，源源不斷地發出光和熱。

人類能不能和平利用核聚變

在科學上，沒有理由不行，可實際上卻是無比困難。核聚變能放出巨大能量，但是啟動核聚變也需要巨大的能量，科學家把輸入能量啟動核聚變稱為“點火”。

美國自1997年起開始建造國家“點火”裝置，2010年全面啟動“點火”實驗，向著輸出能量大于輸入能量，即能量增益這個目標前進。

美國的“點火”是用激光實現的，將192束世界上最強大的激光準確打向裝有燃料球的小金罐上，小金罐有同學們的鉛筆上的橡皮擦那么大，燃料球直徑大約為1毫米，由氫元素的兩種同位素組成。激光會壓縮小罐，猛然把燃料球壓縮得比金屬鉛還要致密，溫度急劇升高到300萬℃，約為太陽表面溫度的200倍，比太陽中心處的溫度還高。

這種狀況維持足夠長時間，燃料中兩種氫同位素就會融合，發生聚變，釋放出能量。這里的“足夠長時間”與我們的日常經驗相比，顯得極其短暫，約為十億分之一秒。

科學家取得了什么成就

美國國家“點火”裝置的科學家測量了燃料聚變釋放的能量與激光中的能量的比值，稱為增益因子。這個比值如果大于1，說明前者大于后者，這個技術未來才有可能有利可圖，否則就是賠本買賣。

2021年進行的“點火”實驗，增益因子為0.7。2022年12月的實驗中，打到燃料球的激光的能量為200萬焦耳，約為電吹風機工作15分鐘所耗的能量，核聚變反應釋放的能量約為300萬焦耳，約為1千瓦時電的能量，增益因子為1.5，大于1。

從開始建造國家“點火”裝置到實現這一目標，美國用了25年的時間！

這是核聚變研究中歷史性的一刻，但是核聚變能要走入生產、生活，依然非常遙遠。

核聚變研究還有諸多挑戰

核聚變不產生放射性核廢料，沒有碳排放，原料是價格低廉的水。核聚變能如果實現商業應用，將一勞永逸地解決能源問題。因此，核聚變能被稱為“能源圣杯”。

幾十年來，科學家一直在穩步前進，解決核聚變和平利用的一個個難題。不過，要徹底實現核聚變能的商業化難題，還有許多挑戰性工作要做。

對于激光“點火”的技術路線，還需要能量更大、能耗更低、光線更集中的激光器。

實現核聚變已經很難了，讓核聚變持續進行更有挑戰性，燃料球略有瑕疵，發生核聚變就需要耗費更多能量。科學家在想方設法提高激光能量的利用率，目前激光能量的利用率僅為10％～30%。

目前，核聚變的燃料為氫的兩種同位素氘和氚。地球上的氘含量很豐富，海水里有的是，但氚含量很少。核聚變反應本身也會產生氚，所以科學家在想辦法提高氚的利用率。

解決好這些挑戰，家家戶戶才能有望用上核聚變能發的電。

還需要多長時間呢

不好估計。世界各國在核聚變研究方面正在展開激烈競爭，技術路線各有不同，美國取得的能量增益大于1的新突破給核聚變能研究帶來了信心和希望。

中國核聚變能研究處于世界第一梯隊，期待著小讀者長大后貢獻聰明才智。