核聚變

在共同應對全球氣候變化的大背景下，主體能源由高碳向低碳過渡、最終向綠色清潔發展，已經是不可逆轉的潮流?？煽睾司圩儺a生的能源，與理想中的清潔、廉價、取之不竭的“無限能源”相差無幾，科學家正努力將這個理想變為現實。

你想象過這樣的世界嗎？所有的電費不再計入賬單，汽車的燃料已換成了免費的電能，城市的夜晚依舊亮如白晝，沒有人再為爭奪能源而發動戰爭，天空也變得湛藍……而這一切，都將因可控核聚變技術的應用而實現。

什么是核聚變

說到核，很多同學可能馬上會想到核武器或核電站，它們的能量來源一般是核裂變，也就是由重的原子核分裂成兩個或多個質量較小原子的核反應形式。其在這個過程中會釋放能量。

核聚變則正好相反，它是將兩個輕核原子聚合在一起，形成更重原子的過程。在這個過程中，兩個輕核原子的部分質量也能轉化為能量釋放出來。核聚變是太陽和其他恒星的主要能源來源，也被視為清潔、可持續的能源解決方案之一。

核反應中的比結合能是指形成或分解原子的過程中，單位質量的變化所釋放或吸收的能量，這個轉化關系可以用愛因斯坦的質能關系式E=mc2表示。比結合能低的原子向比結合能較高的原子轉變會釋放出能量，反之則吸收能量。

概括而言，我們有兩種方式可獲得能量，其一是讓質量數大的原子分裂，這便是核裂變；其二是讓質量數小的原子聚合，這就是核聚變。

好處有哪些

自20世紀初以來，人類已經逐步掌握了非可控和可控核裂變，原子彈和核電站就分別是這兩種的實際應用。這其中，核裂變發電的缺點十分明顯，原料如鈾235難以提煉且儲量有限、半衰期長，事故風險極大。一旦核泄露發生，會對附近人員健康和生態環境造成嚴重損害。

核聚變所需的原料稱得上唾手可得。以最容易實現的D-T（氘氚）聚變為例，氘相對廣泛地存在于海水中，而氚可以用中子轟擊鋰6進行增殖，不必擔心有像鈾等開采殆盡的窘境。一旦裝置發生故障，環境不滿足聚變條件，反應會立即終止，而不會造成可怕的核事故。更讓人欣喜的是，單位聚變產生的熱能是裂變的4倍多，一升海水中的氘完全聚變所產生的能量相當于300升汽油燃燒產生的能量。

既然核聚變如此美好，尚未實現便一定是因為困難重重。

最大的困難

核聚變的發生條件十分苛刻，溫度需在幾千萬乃至一億開爾文。聚變原料會在高溫下變為等離子態，這樣的溫度足以熔化一切已知材料。科學家為避免容器損毀，便用強磁場約束等離子體，使它無法直接接觸裝置內壁。

以中國研究的托卡馬克核聚變實驗裝置（磁線圈環形真空室）為例。為了產生高強磁場，它需要巨大的電流。由于電阻存在，電流生熱會熔化導線，就需要以液氮和高溫超導材料（在相對較高溫度下電阻為零的材料）作導體。另外，磁場強度梯度讓等離子體變形，又要在環形裝置的環芯中加入柱狀電磁體，使快變磁場與內部磁場疊加，形成麻花狀磁場，才能讓等離子體穩定反應。

這樣看來，為了讓聚變裝置運轉就已經耗能巨大，加之裝置難以長時間穩定運行，損耗能源大于產能，核聚變發電當前無疑還是一筆“賠本買賣”。

突破與展望

隨著高溫超導產量的提升和球形托卡馬克的提出，提升聚變功率的方法早已不僅局限于把裝置“做大”。

中國參與聯合建造的國際熱核聚變實驗堆于2020年正式啟動安裝，預計在2025年完成本體組裝工作并開始測試，2050年之前實現可控核聚變能源的應用。

2023年8月26日，中國宣布掌握高約束先進技術。隨著相關科技的進一步發展，我們期待，可控核聚變盡快點亮萬家燈火，為國家乃至人類照亮更光明的未來。