核聚变发电——奔在希望之路 

　　2016年11月30日

　　来源：普林斯顿等离子体物理实验室（Princeton Plasma Physics Lab）

　　几个世纪以来，人类一直梦想着利用太阳的能量供给我们的生活生产，可我们的欲望远不止太阳能而已。我们希望有朝一日可以创造出属于我们自己的“迷你太阳”。如果我们能解决核聚变能带来的各种极其复杂的科学和工程难题，那人类将会有安全且取之不尽的清洁能源。核聚变能的发电效率到底有多高？举个例子，每日只需从水中提取出一千克的氘，便可供给数十万家庭的日常所需能量。

　　自上世纪50年代以来，针对可持续氢原子聚变反应的科学与工程领域研究取得了巨大进展，这使实验中产生的微小核聚变能量也能被检测出来。但怀疑者和支持者都意识到，核聚变能的利用仍面临着两大挑战：一是如何延长反应时间，二是设计出将核聚变能转化为电力的设备结构。

　　普林斯顿等离子体物理实验室（Princeton Plasma Physics Lab）的核聚变研究人员称，人类至少还需25年时间才能建造出第一座商用核聚变发电厂，但它为二十一世纪后半叶带来的巨大“福利”正激励着我们不断努力。核聚变能的可行性论证应该要不了这么久，或者说我们必须让论证越快越好，这样我们才能将它作为未来能源计划中的“一份子”。

　　与太阳能、天然气与核裂变等其它发电方式不同的是，核聚变无法先用微模型进行研发，再以相同比例放大，因为每一步实验都是耗时耗力的大型工程。但在接下来的一个世纪乃至更长时间里，人类必须设法获取充足、清洁的能源，而核聚变能无疑是最具前景的。

　　“何德何能”？ 

　　对水中的两种同位素加热可以发生核聚变

　　供图：美国安全计划（American Security Project）

　　在核聚变过程中，两种氢同位素（氚与氘）的原子核需 “纠缠在一起”，而这可是件难事。由于两种原子核均带正电荷，彼此相互排斥，只有当它们以极大的速度运行并相撞在一起时，才能出现核融合并释放能量。

　　这样的过程在太阳上会自然发生，但在地球上，我们需依靠强大的磁性物质来控制带电的氘、氚原子核与电子所构成的超高温气体，也就是等离子体。

　　等离子体的温度超过1亿摄氏度，这使带正电荷的原子核能以超高速冲破正电荷产生的排斥作用，互相融合。融合后的它们形成两个高能粒子——一个α粒子（氦原子核）和一个中子。

　　要想让等离子体达到如此高的温度，就需要在核聚变反应开始之前，向反应器中提供大量的能量。但只要反应开始了，核聚变产生的能量就能自行维持这一温度，而我们可将剩余的热量转化成可利用的电能。

　　核聚变所需的原料在大自然中比比皆是，比如水中就含有大量的氘，而且反应器还能将锂转化成氚。此外，所有国家都能获得这些原料，不会因当地的自然资源量所限。

　　核聚变能是一种清洁能源，不会产生温室气体，其产物只有氦原子和一个中子。

　　核聚变还是一种安全的反应过程，不会像核裂变那样出现“失控”的情况。一旦反应出现异常，等离子体的温度就会下降，而核聚变反应也就随之中止了。

　　正是由于核聚变能具有以上优点，人们的科研热情才在这几十年中愈加高涨。但核聚变能利用的技术难题也同样不容小觑。

　　最新进展

　　核聚变的研究进展可以归结以下两方面：第一，我们对高温等离子体有了更深入的了解。科学家已经为其创立了“等离子体物理学”以探索如何将等离子体限制在强大的磁场之中。后来，他们又进一步掌握了加热和稳定等离子体、控制等离子体内部扰动的技术，并能测量超高温等离子体的属性。

　　第二，相关技术也取得了进步显著，尤其是磁体、电磁波源和粒子束等领域，这些技术又能对等离子体进行约束和加热。另外，科学家们还提升了材料的耐热性，使它能承受目前实验要求的高温。

　　这些发展与进步意味着核聚变技术将走向商业化，而这些应用中最重要的无疑是当属“生产核聚变能”。上世纪70年代，实验室中产生的核聚变能量还只有几毫瓦，且仅能持续了几微秒; 但90年代后，普林斯顿等离子体实验室便能造出1千万瓦的核聚变能，而地处英国的欧共体联合聚变中心（Joint European Torus）能产生持续1秒、高达1600万瓦的能量。

　　共商大计

　　建造中的ITER“托塔马克”

　　供图：ITER

　　如今，国际科学界正联手在法国建造一处大型核聚变研究设备，即“国际热核聚变实验堆”(简称“ITER”，在拉丁语中意为“路”)，它可以产生持续8分钟、约5亿瓦的核聚变热能。若将这些热能转化为电能足以为15万户家庭供电。通过ITER，科学家们将对可持续核聚变发电厂可能遇到的关键科学与工程问题进行测试。

　　ITER采用了一种名叫“托塔马克”的反应装置（tokamak，这个名字来源于俄语缩写）。由于受到强大的磁场约束，装置中的等离子体呈甜甜圈状，而等离子体中流动的电流也影响了磁场。

　　建立ITER的初衷本是旨在科研，并无成为电能生产者的打算，但它将产生的核聚变能可不止等离子体加热所需的5千万瓦，而是它的10倍之多！这是一次巨大的科学飞跃，该实验首次造出了“自燃等离子体”，因为给它们加热的绝大部分能量都来自于核聚变反应本身。

　　参与ITER项目的国家包括中国，欧盟，印度，日本，俄罗斯，韩国和美国，它们的人口总和相当于世界总人口的一半。此次项目合作如同一份严肃的国际声明，彰显了我们对核聚变能源的迫切需求和攻克决心。

　　未来之路

　　ITER“托塔马克”的内部构造

　　供图：ITER

　　要想实现目标，我们还需“两手抓”：

　　首先，“托塔马克”的研究要更加深入。这意味着物理和工程领域要有所进展，以保证等离子体可以维持数月的稳定状态。我们还需要提升材料的耐热性，保证它能在较长时间内承受相当于太阳表面热通量五分之一的热量。此外，我们还要寻找反应堆堆芯的覆盖材料，去吸收反应中释放出的中子并产生新的氚。

　　其次，我们还需要从以下四个方面加强核聚变的优势：

　　1）在现有物理和工程学的条件下，利用计算机优化核聚变反应堆的设计。机器能给出人类计算能力之外的设计——优化后的反应堆应呈“扭曲的甜甜圈”状，这会使反应非常稳定地进行，并且能自动运作数月之久。在核聚变行业中，这种装置叫做“仿星器”。

　　W-7X“仿星器”的构造图

　　供图：马克斯普朗克等离子体物理研究所（Max-Planck Institute of Plasmaphysics）

　　2）研发磁力更强、体积更小的新型高温超导磁体，从而减少核聚变反应堆的体积和成本。

　　3）用液态金属代替固态金属来约束等离子体。固态金属在接触等离子体时可能会破裂，而液态金属不会，因此根据金属属性改变包裹的材质或许能解决这个棘手的问题。

　　4）改变“甜甜圈状”等离子体中间的空心设计，让其接近于球形。如此，反应堆即使在强度稍弱的磁场中也能顺利运行。这种紧凑的环面形态（compact tori）和弱磁场或许还能降低反应堆的大小和成本。

　　目前各国政府已纷纷出资支持上述两方面的研究，相信取得的成果将惠及核聚变能源领域的方方面面，并将加深我们对宇宙和工业中等离子体的认识。此外，在过去的10至15年间，私营企业也加入了这一阵营，尤其是在紧凑环面和低能场的研究领域更是获得了突破。我们相信这些进步终将给我们带来取之不尽、安全的清洁能源——核聚变能。

　　翻译：胡砚泊

　　审校：颜磊