核聚變 在地球上種太陽

　　設想一下，如果我們突然擁有了取之不盡的高效清潔能源，那該是多么令人激動的事情。法國羅訥河口省卡達拉舍正在開工興建的ITER（國際熱核聚變實驗反應堆），可能就會幫助我們實現這個“世界和平”的夢想。
　　從裂變核能到聚變核能
　　核能我們并不陌生，原子彈、大亞灣核電站，以及日本地震時鬧得的沸沸揚揚的核危機，都是利用核裂變的能量，即通過把大質量原子比如鈾核“打碎”來釋放能量，短時間集中釋放可以作為武器，緩慢釋放則可以用作和平的能源。可惜的是，核裂變能源效率雖高，卻后患無窮，即使沒有地震威脅，產生的廢料也帶有強烈的放射性，在上萬年的時間內都無法有效處理干凈。而且鈾礦資源也是有限的，無法支持人類社會長期發展。所以對核聚變能源的追求也就應運而生了。
　　核聚變，顧名思義與核裂變相反，就是把小質量的兩個原子核合并成一個大質量的原子核，在這個過程中獲得能量，而且這種能量效率比核裂變更高，也更清潔。實際上，我們每天接收到的太陽光，就來自于太陽內部時刻在進行的核聚變反應。太陽以其巨大的質量產生的引力，在核心處將原子核緊緊地壓在一起，處在極端的高溫高壓狀態（密度是水的150倍，溫度超過1000萬度，處于等離子體狀態），能夠通過一系列的核反應，將4個氫核變成一個氦核，這樣的反應在太陽核心每秒鐘要進行大約1038次，有426萬噸的質量被轉化為能量。
　　但在地球上，我們卻找不到這樣強大的“引力容器”來獲得高溫高壓的等離子體，而根據英國科學家勞森在1957年的計算證明，只有溫度和密度都足夠高并維持一段時間，才能夠開啟穩定的核聚變。在此之前，地球上只有兩種方式能夠實現核聚變，一種是氫彈，利用原子彈爆炸的威力在核心瞬時實現核聚變，這顯然只能用于破壞而不能用于建設；另一種方式則是在反應堆或加速器中，利用高速粒子轟擊，偶爾能實現一兩次核聚變，這種方式的效率顯然太低了，而且無法實現能量輸出。如何在地球上滿足勞森判據，需要把人類目前的技術條件發揮到極致。
　　從托卡馬克到ITER
　　1958年，美國、英國和蘇聯決定共享此前一直被他們視為“國家機密”的核聚變技術，共同攻克這個技術難關。經過比較，其中獲得優先研究的是蘇聯的托克馬克實驗反應堆，即通過強大的磁場約束，不斷地注入能量，將溫度提升到1億-1.5億度，相當于太陽核心溫度的10倍！在這樣的高溫高壓條件下，使氘和氚核（即帶有1個和2個中子的氫元素核）發生聚變反應。
　　核聚變的困難在于容器的建設，常規材料無法承受如太陽核心般的高溫，人們只能尋求物理學工具來幫忙。迄今為止，在引力約束之外，人們對于如何約束等離子體并達到高溫，提出了多種方式，比如激光約束（用強激光束加熱并維持等離子體）、磁場約束。其中占上風的磁場約束又有多種設計方案，比如建造成各種不同的形狀：雪茄形、8字形或是別的什么，最終人們還是選擇了圓形。蘇聯物理學家薩哈羅夫和塔姆設計的托卡馬克是現在的主流，在1968年成功實現將一團等離子體加熱到高達1000萬度，并維持穩定狀態3毫秒以上。
　　為了產生1億-1.5億度的高溫，托卡馬克是名副其實的“電老虎”，即使是小型的實驗裝置，耗電功率也如同一座中等城市。1997年英國JET裝置實現了在2秒多時間內產生了16兆瓦的核聚變能量輸入，只是輸入功率卻高達25兆瓦！法國的另一臺裝置環流器在2003年實現了保持無核聚變穩定狀態6分30秒。前路依然漫長，但這些進展依然讓科學家們歡欣鼓舞。ITER的任務書中設計的目標并不高，只是在6分40秒的持續時間內，以50兆瓦的輸入功率得到500兆瓦的核聚變能量輸出。而根據估計，要達到工業應用標準，效率至少還得提高5倍，持續運行時間得長達數月，全天候運行。從這一點來看，ITER名副其實是一座“實驗性”的反應堆。
　　爭議纏身，但前景光明
　　ITER是現代科學和工業需求共同催生的巨無霸，它的運行時間長達30年甚至50年，由于一再推遲，其預算也從50億歐元飆升到150億美元，由數十個國家提供。但如今，某些國家的財政狀況堪憂。
　　更多的爭議還是來自科學方面。環形托卡馬克的建設是基于等離子體的穩定性，然而這種由電子和原子核組成的高溫狀態的物質維持穩定是很困難的。在太陽中我們看到了各種不穩定現象——噴發、漩渦、翻滾，在實驗室等離子體的表面同樣存在。將來的應用中還必須有效地抽取能量，這種干擾對于等離子體的穩定性影響如何還未可知。
　　建設反應堆所需要的材料的研發和選擇，也將是一個重要的難題，它必須能夠承受高溫高壓，以及超高能粒子流的長時間沖擊。
　　事實上，科學界公認的一點是：第一代聚變反應堆肯定價格不菲，且本世紀內無法廣泛應用，以至于有笑話說“核聚變能源是未來能源……它永遠都是”。不過相對于使用木柴和石油燃料的歷史，人類對于核科學的研究還不到100年，對核聚變的研究也才50年，我們仍有足夠的理由期待科學家給我們帶來“世界從此和平”的美好消息。