“人造小太陽”何時照亮地球

盛樂瑤

當地時間2020年7月，國際熱核聚變實驗堆（ITER）在法國南部正式啟動。

從綠皮火車到高鐵，從手搖發電、風力發電到大型核電站，人類的科技正在高速發展，我們也正享受著這個時代帶來的福利。汽車、飛機、手機、電腦……數不清的現代科技正在改變人類的生活。由于目前各國主要使用的能源依舊偏向于石油、煤炭等化石原料，這就導致了人類在大力發展生產、革新工業的同時，地球也在負重前行。而可控核聚變技術或許能夠改變這一現狀。

想要了解什么是可控核聚變，就要先從核裂變和核聚變的區別說起。核裂變簡言之是較重的原子核裂變產生比較輕的原子核并且釋放能量的過程，從原子彈到核電站，核裂變帶給我們很多好處，而且現今核裂變技術已經非常成熟。那什么是核聚變呢？核聚變就是兩個較輕的原子核，在一定條件下聚合為一個較重的原子核，并釋放出能量的過程。

當兩個原子結合在一起，形成一個更重的原子時，就會發生核聚變。在結合和形成的過程中新原子的總質量小于形成它的兩個原子的總質量；此時“缺失”的質量則以能量的形式釋放出來。雖然核聚變的能量非常高，但產生的核廢料卻非常少。

但是在通常情況下，核聚變是無法實現的，因為帶正電的離子之間存在強烈的斥力，使它們的密度不夠大，無法發生碰撞和核聚變。然而，假設一個這樣的狀態：原子核可以克服靜電力，那么它們就可以在非常近的距離內到達某個位置。在那個位置，核之間的吸引力（將質子和中子在原子核中結合在一起的力）將超過斥力（靜電），使離子發生聚變。而實現這一理論的條件是足夠高的溫度。溫度不同的微觀表象是粒子運動的劇烈程度不同，當溫度升高時，粒子以更多的能量和更快的速度移動，最終達到足夠高的速度將原子核捆綁在一起，然后離子就會發生聚變，產生大量的能量。

托卡馬克裝置內部示意圖。

可控核聚變俗稱“人造小太陽”，因為太陽的原理就是核聚變反應。可控核聚變就是在核聚變的基礎上更進一步，可以控制核聚變的過程。例如，人類早已實現了氘氚核聚變——氫彈爆炸，但氫彈是不可控制的爆炸性核聚變，瞬間能量釋放只能給人類帶來災難。但是如果我們實現了可控核聚變，那我們就可以控制氫彈爆炸的程度、控制到底怎么爆炸，讓能量持續穩定地輸出。

發生核聚變的條件非常苛刻，需要高溫、高密度、封裝時間長，這3個條件缺一不可。高溫可以讓微觀粒子劇烈運動，高密度可以增大原子核接觸的機會，長時間的封裝環境可以保持等離子體的狀態。而可控核聚變所提及的“可控”就是想辦法控制這3個條件。

那么有沒有一種環境能夠自然地滿足核聚變所需的這些嚴苛條件呢？答案是有，那就是太陽。太陽的中心具有1500萬攝氏度的高溫和2000億個大氣壓的高壓，因此氫在這個“較低”的溫度下就聚變成了氦。這樣的反應已經進行了差不多46億年，產生了巨大的能量。而在地球上沒有那么高的壓強，要發生聚變，對于溫度的要求就更為嚴苛。所以為了降低聚變反應的難度，在地球上通常使用氫的同位素，例如氘（2H）和氚（3H），尤其是兩者的混合物，因為它們比氫更容易達到核聚變的要求。

人類目前可以利用核裂變來發電了，那為什么還要大費周章地去研究核聚變呢？事實上，地球上能夠進行核裂變的資源非常有限。據相關數據顯示，目前地球上可用于核裂變的成熟材料僅夠人類使用數十年。相比之下，地球上可以進行核聚變的資源要多得多。海洋里含有40萬億噸的氘，這一元素如果全部用于核聚變反應，釋放出的能量足夠人類使用幾百億年，而且其反應的產物是無放射性污染的氦。

這樣描述核聚變能夠釋放的能量可能不夠直觀，舉個例子：如果將該元素充分加以利用，每1公斤的氘可以產生近1億度電。未來的我們或許就有用之不盡的電力資源，電費價格將一降再降，很多因為能源價格上漲帶來的問題將會迎刃而解。此外，核裂變反應堆的輻射是β粒子和伽馬射線等，它們可以穿透身體，讓人患上各種癌癥，并破壞人身體內“DNA結構”中的鍵。而在核聚變反應堆中，只有人體的血管壁會被聚變過程中的高能中子轟擊。在最壞的情況下，如果所有封閉的聚變容器保護層都破裂了，中子輻射就會在聚變反應停止的一瞬間結束，因此核聚變反應要比核裂變安全得多。

此外，核聚變還有很多好處。首先，可以減輕對太陽能的過度依賴。太陽之所以能夠給予地球能量，究其原理是因為太陽的內部在不間斷地進行著核聚變反應。地球上資源的產生都需要漫長的過程，而人類發展速度過快，照這樣發展下去，地球上的資源早晚有用盡的一天。如果人類掌握了可控核聚變這項技術，就相當于在自己身邊造了一個“小太陽”，不僅能夠大幅度減少對太陽的依賴，甚至依靠龐大的能量走出太陽系也并非沒有可能。

其次，若我們掌握了可控核聚變技術，那我們的社會生活將會發生顛覆性的變化。核聚變是清潔高效的能源，可控核聚變完全普及后會大幅改善和修復地球的生態系統，使工業污染造成的氣候變化得到有效改變，熱島效應等一系列溫室氣體造成的影響將會被逐漸調節至正常狀態。此外，可控核聚變會使地球上的能量近乎無限。

我們怎樣才能造出來這樣一個“小太陽”呢？實際上，科學家們希望發明一種裝置，可以有效控制聚變的過程，讓能量持續穩定地輸出。

目前，世界上可控核聚變反應的核心裝置是托卡馬克裝置。它是一種利用磁約束來實現受控核聚變的環形容器，最初是由庫爾恰托夫研究所的蘇聯科學家阿齊莫維齊等人在20世紀50年代發明的。這一裝置的中央是一個環形的真空室，外面纏繞著線圈。通電時裝置的內部會產生巨大的螺旋形磁場，將其中的等離子體加熱到很高的溫度，以達到核聚變的目的。

2005年正式確定的國際合作項目“ITER”（即國際熱核實驗反應堆項目，這個項目從1985年開始），力圖建立第一個試驗用的聚變反應堆。最初的方案是2010年建成一個實驗堆，實現1500兆瓦功率輸出，造價100億美元。但由于各種原因，這個項目一直到了2000年也沒有結果，直到2003年，能源危機加劇，各國又重視起來，首先是中國宣布加入了“ITER”計劃，歐洲、日本和俄羅斯自然表示歡迎，隨后美國宣布重返計劃，緊接著，韓國和印度也宣布加入。

位于中國合肥的“EAST”項目是目前唯一一種能給“ITER”提供實驗數據的裝置，此外，“EAST”還是世界上第一個具有主動冷卻結構的托卡馬克裝置，它的第一壁是主動冷卻的，目前連接的是一個大型冷卻塔，它的冷卻水可以保證在長時間運行后將反應產生的熱量帶走，維持系統的溫度平衡。這一方面是為真正實現穩定的受控聚變邁出的重要一步，另一方面也是核聚變工程化的重要標志，冷卻塔換成汽輪機是可以發電的。

值得一提的是，2022年12月美國能源部宣布了一項重大的核聚變成就——位于加州的勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室成功取得了核聚變的突破，這是人類歷史上首次取得核聚變的突破。該實驗室在最近的一系列實驗中，通過激光點火的方式，用192個巨大的激光器，同時向一個金屬圓筒發射，將其加熱到超過280萬攝氏度，產生X射線內爆，加熱并壓縮氘氚燃料，引發核聚變，成功進行了可控核聚變，并且獲得了正能量收益，即聚變產生的能量超過了激光消耗的能量。

雖然實現可控核聚變對地球、對人類有很多好處，但前路多艱，開發“人工小太陽”還面臨著許多挑戰。首先是來自環境的挑戰。在太陽這樣的恒星中，高溫和強大的引力自然為聚變環境做好了準備。但在地球上，人類面臨的挑戰是如何使核燃料變熱，并有合適的裝置來承載這些原料并維持高溫環境。試想一下，將等離子體，包括氣態氘、氚離子和原子的混合物，以及氦聚變產物等保持在數百萬攝氏度的溫度，科學家們很難找到能夠承受這么高溫度的材料。因此，科學家試圖將等離子體保持在聚變容器的強磁場中。與核裂變相比，這種方法很難實現。

其次是核聚變原料擴散帶來的風險。核聚變原料的獲取以及聚變所釋放的能量該如何使用是一個值得探討的問題。不同國家的人對燃料的儲備有著不同的目標，有些國家想要通過這些原料制造原子彈，還有些國家的執政方針政策涉及到化石燃料的獲取使用，若有誰能率先掌握可控核聚變技術，那無疑是手握時代發展的方向盤。以美國為例，一旦真正掌握可控核聚變技術，那么極有可能在能源問題上大做文章，并以此來為其擴張霸權服務，這將給本就不安寧的國際社會帶來更大的風險。

綜上所述，目前人類所掌握的科技還無法真正創造出一顆完美的“小太陽”，期待在未來的某天，這顆閃耀著光芒的“小太陽”能夠早日與人類見面，并以公平合理的方式為人類謀福利。

（責編：南名俊岳）