核聚變 在地球上種太陽

　　設(shè)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(dá)拉舍正在開工興建的ITER（國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆），可能就會幫助我們實(shí)現(xiàn)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(yáng)揚(yáng)的核危機(jī)，都是利用核裂變的能量，即通過把大質(zhì)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(chǎn)生的廢料也帶有強(qiáng)烈的放射性，在上萬年的時間內(nèi)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(fā)展。所以對核聚變能源的追求也就應(yīng)運(yùn)而生了。
　　核聚變，顧名思義與核裂變相反，就是把小質(zhì)量的兩個原子核合并成一個大質(zhì)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(shí)際上，我們每天接收到的太陽光，就來自于太陽內(nèi)部時刻在進(jìn)行的核聚變反應(yīng)。太陽以其巨大的質(zhì)量產(chǎn)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(tài)（密度是水的150倍，溫度超過1000萬度，處于等離子體狀態(tài)），能夠通過一系列的核反應(yīng)，將4個氫核變成一個氦核，這樣的反應(yīng)在太陽核心每秒鐘要進(jìn)行大約1038次，有426萬噸的質(zhì)量被轉(zhuǎn)化為能量。
　　但在地球上，我們卻找不到這樣強(qiáng)大的“引力容器”來獲得高溫高壓的等離子體，而根據(jù)英國科學(xué)家勞森在1957年的計(jì)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(wěn)定的核聚變。在此之前，地球上只有兩種方式能夠?qū)崿F(xiàn)核聚變，一種是氫彈，利用原子彈爆炸的威力在核心瞬時實(shí)現(xiàn)核聚變，這顯然只能用于破壞而不能用于建設(shè)；另一種方式則是在反應(yīng)堆或加速器中，利用高速粒子轟擊，偶爾能實(shí)現(xiàn)一兩次核聚變，這種方式的效率顯然太低了，而且無法實(shí)現(xiàn)能量輸出。如何在地球上滿足勞森判據(jù)，需要把人類目前的技術(shù)條件發(fā)揮到極致。
　　從托卡馬克到ITER
　　1958年，美國、英國和蘇聯(lián)決定共享此前一直被他們視為“國家機(jī)密”的核聚變技術(shù)，共同攻克這個技術(shù)難關(guān)。經(jīng)過比較，其中獲得優(yōu)先研究的是蘇聯(lián)的托克馬克實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆，即通過強(qiáng)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(dāng)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(fā)生聚變反應(yīng)。
　　核聚變的困難在于容器的建設(shè)，常規(guī)材料無法承受如太陽核心般的高溫，人們只能尋求物理學(xué)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(dá)到高溫，提出了多種方式，比如激光約束（用強(qiáng)激光束加熱并維持等離子體）、磁場約束。其中占上風(fēng)的磁場約束又有多種設(shè)計(jì)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(lián)物理學(xué)家薩哈羅夫和塔姆設(shè)計(jì)的托卡馬克是現(xiàn)在的主流，在1968年成功實(shí)現(xiàn)將一團(tuán)等離子體加熱到高達(dá)1000萬度，并維持穩(wěn)定狀態(tài)3毫秒以上。
　　為了產(chǎn)生1億-1.5億度的高溫，托卡馬克是名副其實(shí)的“電老虎”，即使是小型的實(shí)驗(yàn)裝置，耗電功率也如同一座中等城市。1997年英國JET裝置實(shí)現(xiàn)了在2秒多時間內(nèi)產(chǎn)生了16兆瓦的核聚變能量輸入，只是輸入功率卻高達(dá)25兆瓦！法國的另一臺裝置環(huán)流器在2003年實(shí)現(xiàn)了保持無核聚變穩(wěn)定狀態(tài)6分30秒。前路依然漫長，但這些進(jìn)展依然讓科學(xué)家們歡欣鼓舞。ITER的任務(wù)書中設(shè)計(jì)的目標(biāo)并不高，只是在6分40秒的持續(xù)時間內(nèi)，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(jù)估計(jì)，要達(dá)到工業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，效率至少還得提高5倍，持續(xù)運(yùn)行時間得長達(dá)數(shù)月，全天候運(yùn)行。從這一點(diǎn)來看，ITER名副其實(shí)是一座“實(shí)驗(yàn)性”的反應(yīng)堆。
　　爭議纏身，但前景光明
　　ITER是現(xiàn)代科學(xué)和工業(yè)需求共同催生的巨無霸，它的運(yùn)行時間長達(dá)30年甚至50年，由于一再推遲，其預(yù)算也從50億歐元飆升到150億美元，由數(shù)十個國家提供。但如今，某些國家的財(cái)政狀況堪憂。
　　更多的爭議還是來自科學(xué)方面。環(huán)形托卡馬克的建設(shè)是基于等離子體的穩(wěn)定性，然而這種由電子和原子核組成的高溫狀態(tài)的物質(zhì)維持穩(wěn)定是很困難的。在太陽中我們看到了各種不穩(wěn)定現(xiàn)象——噴發(fā)、漩渦、翻滾，在實(shí)驗(yàn)室等離子體的表面同樣存在。將來的應(yīng)用中還必須有效地抽取能量，這種干擾對于等離子體的穩(wěn)定性影響如何還未可知。
　　建設(shè)反應(yīng)堆所需要的材料的研發(fā)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(shí)上，科學(xué)界公認(rèn)的一點(diǎn)是：第一代聚變反應(yīng)堆肯定價格不菲，且本世紀(jì)內(nèi)無法廣泛應(yīng)用，以至于有笑話說“核聚變能源是未來能源……它永遠(yuǎn)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(xué)的研究還不到100年，對核聚變的研究也才50年，我們?nèi)杂凶銐虻睦碛善诖茖W(xué)家給我們帶來“世界從此和平”的美好消息。