点亮核聚变新能源之路

2014年情人节到来的前两天（2月12日，星期三），美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室点火装置的科学家为核聚变研究提前献上了礼物，一篇题为《惯性承压聚变内爆的燃料增益超过1》的科学论文发表在《自然》杂志上，引起了全世界的轰动，因为这是在全世界范围内首次实现了燃料输出能量大于输入能量。在同期杂志对该项研究的评论文章中，作者指出，尽管这项研究有了突破性进展，但离最终实现所谓的“点火”还有一段差距。

　　聚变能源是什么

　　核能发电是利用放射性元素的裂变产生出新能源，而聚变能源是比裂变更为强大的新能源。聚变是轻核（主要是氢的同位素氘和氚）在聚合成较重的原子核时，释放出巨大能量的过程。太阳发光发热和氢弹爆炸就是一种聚变。

　　聚变相当于一个1+1远大于2的公式，在聚变过程中释放出的能量非常大，1升海水中的氘，在聚变反应后可以释放出300升汽油燃烧的能量。与石油、放射性元素这类稀缺资源相比，能进行聚变反应的资源要丰富得多。如果将地球上海水中所含的氘用于聚变反应，可供人类使用上亿年，而用于产生氚的金属——锂，也有比较丰富的储量。人类因使用石油带来了严重的环境问题，温室效应、空气污染让我们付出了巨大的代价，然而聚变的反应产物是比较稳定的氦或者水，几乎没有污染问题，聚变能源是最“干净”的能源。

　　20世纪初，英国物理学家阿斯顿首先发现了聚变反应，他和英国物理学家卢瑟福一起证实了轻元素（原子量较小的元素）以足够大的能量碰撞会引起核反应。第二次世界大战期间，美国物理学家费米和匈牙利物理学家爱德华·泰勒提出了氢弹原理和核聚变反应堆的设想。

　　在“冷战”时期，核弹成为了军备竞赛的关键，在20世纪50年代初，人类实现了聚变核反应——氢弹的爆炸。氢弹先依靠原子弹爆炸时形成的高温高压，使得热核燃料氘氚发生聚变反应，从而释放巨大的能量，形成前所未有的破坏力。然而，氢弹是破坏性的，而且瞬间的猛烈爆炸是不可控的。在和平年代，把聚变时释放出的巨大能量利用起来，必须对剧烈的聚变核反应加以控制。因此，实现受控热核聚变一直是科学家们的梦想。

　　如何实现可控的核聚变反应

　　提供极高的温度

　　原子核之间距离很近的时候，会发生静电排斥，这种排斥力非常巨大。只有给两个核施加巨大的外力，才能使两个原子核靠近，通过核的力量“黏合”成整体，形成新的原子核，从而发生聚变反应。要使两个氘核相遇，它们的相对速度必须大于每秒1000千米，从统计力学的角度，粒子的热运动就是温度的根源，两个氘核产生聚变反应时，温度必须高达1亿摄氏度。氘核与氚核间发生聚变反应时，温度也高达5000万摄氏度。在高温之下，物质已全部电离，形成高温等离子体。

　　保证充分的约束

　　为了控制聚变反应的发生，必须对高温等离子体进行约束，即确保在聚变反应过程中维持高温等离子体状态，才能发生充分的聚变反应。如果聚变反应释放的能量大于产生和加热等离子体的输入能量，那么利用聚变反应释放出的能量就可以维持极高的温度，无需再从外界吸收能量，聚变反应就能够自持进行。为实现这一理想，一些科学家用托卡马克装置开展了“磁约束聚变”研究。另一条技术路线于20世纪60年代初提出，其基本原理是把强大的激光束聚焦到热核材料制成的微型靶丸上，在瞬间产生极高的高温和极大的压力，被高度压缩的稠密等离子体在扩散之前，即完成全部核反应，这就是“惯性约束聚变”。太阳对高温粒子的约束便是依靠引力完成的。

　　磁约束——国际热核聚变实验堆（ITER）

　　国际热核聚变实验堆（ITER）主要利用了磁约束技术，该计划是1985年由苏联领导人戈尔巴乔夫和美国总统里根在日内瓦峰会上倡议提出的。2007年再次启动该计划的主要参与方有：中国、欧盟、日本、韩国、俄国、美国、印度。该计划主要是建设一个能产生50万千瓦聚变功率、有能力维持大于400秒氘氚燃烧的托卡马克（大型磁铁）聚变堆，一旦建成将为商业化供电设备提供技术积累及产品原型设计（图1）。国际热核聚变实验堆计划输出能量达到输入能量的10倍以上，又叫“Q>10”目标。在它30年的运转周期里预计会耗费大约100亿欧元，因此该项目是继国际空间站之后的第二昂贵的国际科学合作项目。

　　高度纯净的氘和氚的混合材料被加热到1亿度以上（形成高温等离子体），才能达到热核温度。要实现对核聚变的控制，必须将高温的等离子体约束在某个容器中。而磁约束技术便是通过磁场，利用洛伦兹力，将带电的高温等离子体约束在腔体内。约束等离子体的磁场，虽然不怕高温，却很不稳定。另外， 等离子体在加热过程中能量也不断损失。

　　法国诺贝尔物理奖得主皮埃尔-吉勒·德热纳对磁约束有个著名的批评，“我们要把太阳放到一个盒子中，这个想法很妙，但问题是我们不知道怎么来制造这样的一个盒子”。这就是热核聚变的另外一个核心问题：如何制造一个装高温等离子体的大容器？由于容器壁和高温等离子体接触，受到等离子体内发出的高速粒子和辐射的强烈轰击，放出杂质进入等离子体，就会导致等离子体的冷却而使热核反应停熄。同时，还可能引起极大的辐射，因而选择合适的容器壁材料极其重要，另外辐射防护是必须要考虑到的。

　　目前，国际热核聚变实验堆托克马克装置高达10层楼，整个容器的体积达到837立方米，所有的磁场均通过超导线圈产生，磁场高达10特斯拉。在这样一个容器中，等离子体的密度为1014 克/立方厘米。

　　惯性约束——国家点火装置（NIF）

　　国家点火装置是由劳伦斯利弗莫尔国家实验室建造，它主要利用牛顿第三定律的惯性约束来控制核聚变反应。该设施位于美国加州，是一座10层楼的建筑，占地面积约为3个足球场大小，建筑成本35亿美元，2009年投入使用以来，运营成本已经达到数亿美元。

　　国家点火装置的设计意图是，使用激光达成极端的高温高压并施加于一小粒氢燃料球上，从而启动核聚变反应。目前，国家点火装置是世界上最大的镭射装置，目标是“点火”后就能自给自足输出聚变能量。一个长达1000米的厂房设备最终要让192台激光装置在十亿分之一秒同时发射，击中铅笔头大小的燃料球，误差不能超过30皮秒（1皮秒=10-12秒），这几乎是个不可能完成的任务。国家点火装置的准确度如同在北京投球要射中沈阳的一个篮框，其命中难度极大，命中率极小。整套装置要运作必须启动6万个高科技装置，每个装置都包含复杂的机械构造、电路、高压电、能量感应器、监视器、自动透镜、激光，另外还要有精准的电脑反馈安全系统。更难的是，整套设备必须保持零震动和零热胀冷缩，10吨重的设备其误差范围只能有100微米。

　　这种封闭型核聚变装置利用外部的注入热能，以达到封闭区内的高温高压。封闭区中央的目标是一个包含若干核燃料（氢或氚）的小球，尺寸大概如豆子大小，小球表面要极其光滑，才能保证聚变实验顺利进行。高温激光会使小球表面等离子体化，发生内爆。同时爆炸波会使小球均匀地向中央坍缩，使得球中的核燃料在高温高压下达到极高的密度，形成高温等离子体，从而产生核聚变。在内爆时，只要对燃料球给予正确的高温高压就能发生链式反应，这一现象就称为“点火”（图4），这是引发核聚变的重点过程，并且会释放出巨大能量。在“点火”过程中，整体装置在一个自持进行的链式反应中产生的能量超过其所消耗的能量，这便是核聚变发电切实可行的前提条件。

　　聚变能源之路

　　不论是利用磁约束技术的国际热核聚变实验堆（ITER）计划，还是利用牛顿第三定律惯性约束的国家点火装置（NIF），都属于大型实验装置。无论是从技术上还是科学理论上，核聚变实验都面临极大的挑战。此外，这两类装置由于造价昂贵，因而在争取研究经费的道路上充满了坎坷，这对于科学家来说是最无奈的、最无法预计的问题。从技术上而言，国际热核聚变实验堆预计在2020年末能够实现真正的点火，为后续发展聚变能源商用电站铺垫好道路。

　　在2013年初，国家点火装置的点火尝试失败后，国际媒体上充斥着取消国家点火装置计划的讨论。而这次国家点火装置点火成功，可以说让人们对它又增强了信心，它照亮了人类利用聚变新能源的道路。 但这条路还很漫长，因为这次的实验持续时间很短，输出能量与所耗费的能量相差不大。除此之外，点火实验中还有许多物理问题需要科学家进行深入研究，为下一次的点火做准备。 如果排除掉经费、政治等因素，人类将有可能在21世纪中叶开始真正享受到聚变能源带来的福祉。

　　【责任编辑】张小萌