核聚變

在共同應(yīng)對全球氣候變化的大背景下，主體能源由高碳向低碳過渡、最終向綠色清潔發(fā)展，已經(jīng)是不可逆轉(zhuǎn)的潮流。可控核聚變產(chǎn)生的能源，與理想中的清潔、廉價、取之不竭的“無限能源”相差無幾，科學(xué)家正努力將這個理想變?yōu)楝F(xiàn)實。

你想象過這樣的世界嗎？所有的電費不再計入賬單，汽車的燃料已換成了免費的電能，城市的夜晚依舊亮如白晝，沒有人再為爭奪能源而發(fā)動戰(zhàn)爭，天空也變得湛藍……而這一切，都將因可控核聚變技術(shù)的應(yīng)用而實現(xiàn)。

什么是核聚變

說到核，很多同學(xué)可能馬上會想到核武器或核電站，它們的能量來源一般是核裂變，也就是由重的原子核分裂成兩個或多個質(zhì)量較小原子的核反應(yīng)形式。其在這個過程中會釋放能量。

核聚變則正好相反，它是將兩個輕核原子聚合在一起，形成更重原子的過程。在這個過程中，兩個輕核原子的部分質(zhì)量也能轉(zhuǎn)化為能量釋放出來。核聚變是太陽和其他恒星的主要能源來源，也被視為清潔、可持續(xù)的能源解決方案之一。

核反應(yīng)中的比結(jié)合能是指形成或分解原子的過程中，單位質(zhì)量的變化所釋放或吸收的能量，這個轉(zhuǎn)化關(guān)系可以用愛因斯坦的質(zhì)能關(guān)系式E=mc2表示。比結(jié)合能低的原子向比結(jié)合能較高的原子轉(zhuǎn)變會釋放出能量，反之則吸收能量。

概括而言，我們有兩種方式可獲得能量，其一是讓質(zhì)量數(shù)大的原子分裂，這便是核裂變；其二是讓質(zhì)量數(shù)小的原子聚合，這就是核聚變。

好處有哪些

自20世紀(jì)初以來，人類已經(jīng)逐步掌握了非可控和可控核裂變，原子彈和核電站就分別是這兩種的實際應(yīng)用。這其中，核裂變發(fā)電的缺點十分明顯，原料如鈾235難以提煉且儲量有限、半衰期長，事故風(fēng)險極大。一旦核泄露發(fā)生，會對附近人員健康和生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重損害。

核聚變所需的原料稱得上唾手可得。以最容易實現(xiàn)的D-T（氘氚）聚變?yōu)槔鄬V泛地存在于海水中，而氚可以用中子轟擊鋰6進行增殖，不必擔(dān)心有像鈾等開采殆盡的窘境。一旦裝置發(fā)生故障，環(huán)境不滿足聚變條件，反應(yīng)會立即終止，而不會造成可怕的核事故。更讓人欣喜的是，單位聚變產(chǎn)生的熱能是裂變的4倍多，一升海水中的氘完全聚變所產(chǎn)生的能量相當(dāng)于300升汽油燃燒產(chǎn)生的能量。

既然核聚變?nèi)绱嗣篮茫形磳崿F(xiàn)便一定是因為困難重重。

最大的困難

核聚變的發(fā)生條件十分苛刻，溫度需在幾千萬乃至一億開爾文。聚變原料會在高溫下變?yōu)榈入x子態(tài)，這樣的溫度足以熔化一切已知材料。科學(xué)家為避免容器損毀，便用強磁場約束等離子體，使它無法直接接觸裝置內(nèi)壁。

以中國研究的托卡馬克核聚變實驗裝置（磁線圈環(huán)形真空室）為例。為了產(chǎn)生高強磁場，它需要巨大的電流。由于電阻存在，電流生熱會熔化導(dǎo)線，就需要以液氮和高溫超導(dǎo)材料（在相對較高溫度下電阻為零的材料）作導(dǎo)體。另外，磁場強度梯度讓等離子體變形，又要在環(huán)形裝置的環(huán)芯中加入柱狀電磁體，使快變磁場與內(nèi)部磁場疊加，形成麻花狀磁場，才能讓等離子體穩(wěn)定反應(yīng)。

這樣看來，為了讓聚變裝置運轉(zhuǎn)就已經(jīng)耗能巨大，加之裝置難以長時間穩(wěn)定運行，損耗能源大于產(chǎn)能，核聚變發(fā)電當(dāng)前無疑還是一筆“賠本買賣”。

突破與展望

隨著高溫超導(dǎo)產(chǎn)量的提升和球形托卡馬克的提出，提升聚變功率的方法早已不僅局限于把裝置“做大”。

中國參與聯(lián)合建造的國際熱核聚變實驗堆于2020年正式啟動安裝，預(yù)計在2025年完成本體組裝工作并開始測試，2050年之前實現(xiàn)可控核聚變能源的應(yīng)用。

2023年8月26日，中國宣布掌握高約束先進技術(shù)。隨著相關(guān)科技的進一步發(fā)展，我們期待，可控核聚變盡快點亮萬家燈火，為國家乃至人類照亮更光明的未來。