“人造小太陽”是怎樣煉成的

易鵬

自然界中最容易實現核聚變的地方是太陽，因為太陽發光發熱的原理就是核聚變，而且已經持續了50多億年。我們為了利用太陽核聚變產生的光和熱而發明了太陽能電板、太陽能熱水器、太陽能路燈和還未實現的太陽能汽車等等，但這遠不是利用核聚變能的終極手段。真正的開始，應該是人類去操控核聚變過程，將核聚變這一不可控的過程變成可控的過程。那么，核聚變如何才能從不可控變為可控呢？

核聚變怎樣才算可控

想必大家都聽說過“氫彈”，它的原理就是不可控的核聚變。那么，怎樣才算可控的核聚變呢？可控的核聚變就是我們可以控制核聚變的開啟和停止，并且可以隨時控制核聚變的反應速度。打個比方，同樣是火藥，我們可以利用其高能量瞬間爆發出的破壞性來制造炸彈，也可以摻點雜質， 做成蜂窩煤，使其可以在煤爐里緩慢釋放能量，想讓它燒就燒，想讓它滅就滅，這個可控的秘訣就在蜂窩煤爐的爐門上。同理，將這個蜂窩煤爐的燃料換成核燃料，燒上開水，讓開水變成蒸汽去推動輪機發電，這便是當今核電站的基本原理雛形了。

因此，科學家們就希望發明一種可以有效控制“氫彈爆炸”過程的裝置，讓能量持續穩定地輸出，實現“人造小太陽”。

“人造小太陽”為何難問世

核聚變反應的原理很簡單，也很好理解：持續加熱反應體，達到上億的溫度，使氚的原子核和氘的原子核以極快的速度運行，赤裸裸地發生碰撞，產生新的氦核和新的中子，釋放出巨大的能量。一段時間后，核聚變的溫度足夠讓原子核繼續發生聚變，實現“自給自足”。只要能及時排除氦原子核和中子，在反應體中輸入新的氚和氘的混合氣，核聚變就能持續下去，產生的能量一小部分留在反應體內維持鏈式反應，其余部分則可以輸出，作為能源來使用。

托卡馬克裝置

仿星器

環形球

看起來似乎很簡單，但這里涉及到2個問題：

1.怎樣將核聚變的原料加熱到上億攝氏度去點

燃爐子里面的燃料？

2.用什么容器來盛放上億攝氏度的核聚變原料？

20世紀60年代，激光器的問世為如何將物質加熱到極高能量打開了一條門縫。蘇聯專家最早開始考慮激光加熱的方法，因為該方法能量大，而且無需與被加熱物質接觸。簡單地說，該方法類似于拿陽光聚焦之后點燃木屑一樣。但單個激光器的能量太低，需要將多個激光器的能量聚焦于同一點。目前，美國在該領域的研究進展是最快的，其“國家點火裝置”正在進行將192個激光器聚焦于同一點的實驗。而我國正在試驗的“神光三號”項目——是將32個激光器聚焦，下一個目標是48個。該問題看似簡單，實則非常困難，因為即便是美國將192個激光器聚焦于同一點，還遠遠不能達到上億攝氏度。

第2個問題，我們拿什么來盛放超高溫物質？上億度的物質足夠燒毀任何與其接觸的東西。那么就算能將這些反應燃料點燃，又能拿什么來盛放它？超導托卡馬克裝置的研制為實現上億度物質的存放提供了可能。為了將物質固定在一個密閉的空間中，它通過將物質約束在一個密閉的環中使其高速旋轉，從而實現變相盛放。然而，超導托卡馬克裝置的研制進展比較緩慢，要想實現存放上億度的物質，任重而道遠。

如果這2個問題都能夠得到解決，那么還將面臨一個更加嚴峻的問題：在第一個問題的解決方案中，“神光三號”屬于慣性約束過程，需要聚變物質靜止于指定的標靶位置等待加熱并點燃。而第二個問題的解決方案的超導托卡馬克裝置屬于磁約束過程，如果聚變物質靜止下來，則無法在磁場中受到相應的洛倫茲力等作用，難以被約束在一個指定的密閉空間里。這2種分別針對2個難點的方案，完全沒有辦法結合起來。

“人造小太陽”可能的問世之法

雖然“人造小太陽”迄今還未制造出來，但是科學家們并沒有氣餒。他們不斷實驗，不斷創新，研究出了多種可能實現的方法。

●磁約束核聚變

磁約束核聚變是當前開發聚變能源中最有希望成功的方法。它是用特殊形態的磁場把氘、氚等輕原子核和自由電子組成的，處于熱核反應狀態的超高溫等離子體約束在有限的體積內，使之受控制地發生大量的原子核聚變反應，釋放出能量。自20世紀60年代中期以來，各國科學家先后建成的磁約束裝置包括托卡馬克、仿星器、反場箍縮、磁鏡、球形環等，其中環形磁約束裝置（托卡馬克）是目前各個實驗方案中最為成功的方法。

磁約束設備比較大，但反應持續性能好，不需要反復點火，適合作為核電站、大型船舶的供電系統。其缺點在于開關火性能不佳，靈活度不夠，而且維持強磁場所需的電能成本也不低。

●慣性約束核聚變

這一方法是把幾毫克的氘和氚的混合氣體裝入直徑約幾毫米的小球內，然后從外面均勻射入激光束或粒子束，球面內層因而向內擠壓。球內氣體受到擠壓后，壓力升高，溫度也隨之急劇升高。當溫度達到點火溫度時，球內氣體發生爆炸，產生大量熱能。這樣的爆炸每秒鐘發生三四次，并持續不斷地進行下去，釋放出的能量就可以達到百萬千瓦級的水平。我國著名科學家王淦昌就是這一理論的奠基人之一。

在慣性約束核聚變中，激光約束技術最為成熟。因為激光技術能產生聚焦效果良好且能量巨大的脈沖光束，所以我國的神光裝置以及美國的國家點火裝置都采用這種核聚變約束形式。

慣性約束核聚變的好處在于設備不必大，而且開、關火控制性能也比較好，適合未來用于飛行器等領域。但缺點是能源消耗量大，燃料靶丸制造成本高。

●聚變裂變混合堆

聚變裂變混合堆就是利用聚變反應產生的中子，在聚變反應室外的鈾-238、釷-232包層中，生產钚-239或鈾-233等核燃料，同時釋放出裂變能。

聚變裂變混合堆只要求聚變產生的能量與消耗的能量差不多對等，因而它對聚變的要求比純聚變堆低，是實現聚變能商業應用的捷徑。

●核爆聚變電站

核爆聚變電站就是利用聚變裝置爆炸釋放的能量來發電。在設想的電站當中，核裝置在一個巨大的洞室中爆炸，爆炸之前往洞中噴灑液態金屬鈉，并使鈉在爆炸時能在爆炸裝置的周圍形成一定的分布，從而大量吸收爆炸的能量，同時還可以有效降低爆炸沖擊爆破洞壁的強度。

爆炸后，把加熱了的鈉從洞中抽出，與電站第二回路形成熱交換，從而發電。但要實現核爆聚變電站，還需要解決很多問題，例如核燃料的生產和回收問題、核爆炸轉換為熱能和電能的安全問題、工程技術問題等。

美國NIF裝置布局示意圖

中國神光-Ⅲ裝置布局示意圖

我國研發的“神光三號”慣性約束核聚變激光驅動裝置

除了以上幾種利用聚變能的方法外，科學家還研究了重力場約束型核聚變、常溫核聚變、L子催化核聚變、超聲波核聚變以及氣泡核聚變等聚變方法，這些都是人們試圖實現可控的核聚變，實現能量持續平穩輸出的有益嘗試。相信通過科學家的接力研發，用上取之不盡、用之不竭的清潔能源將不再是夢想。