點亮核聚變新能源之路

徐偉

2014年情人節(jié)到來的前兩天（2月12日，星期三），美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室點火裝置的科學(xué)家為核聚變研究提前獻上了禮物，一篇題為《慣性承壓聚變內(nèi)爆的燃料增益超過1》的科學(xué)論文發(fā)表在《自然》雜志上，引起了全世界的轟動，因為這是在全世界范圍內(nèi)首次實現(xiàn)了燃料輸出能量大于輸入能量。在同期雜志對該項研究的評論文章中，作者指出，盡管這項研究有了突破性進展，但離最終實現(xiàn)所謂的“點火”還有一段差距。

聚變能源是什么

核能發(fā)電是利用放射性元素的裂變產(chǎn)生出新能源，而聚變能源是比裂變更為強大的新能源。聚變是輕核（主要是氫的同位素氘和氚）在聚合成較重的原子核時，釋放出巨大能量的過程。太陽發(fā)光發(fā)熱和氫彈爆炸就是一種聚變。

聚變相當(dāng)于一個1+1遠(yuǎn)大于2的公式，在聚變過程中釋放出的能量非常大，1升海水中的氘，在聚變反應(yīng)后可以釋放出300升汽油燃燒的能量。與石油、放射性元素這類稀缺資源相比，能進行聚變反應(yīng)的資源要豐富得多。如果將地球上海水中所含的氘用于聚變反應(yīng)，可供人類使用上億年，而用于產(chǎn)生氚的金屬——鋰，也有比較豐富的儲量。人類因使用石油帶來了嚴(yán)重的環(huán)境問題，溫室效應(yīng)、空氣污染讓我們付出了巨大的代價，然而聚變的反應(yīng)產(chǎn)物是比較穩(wěn)定的氦或者水，幾乎沒有污染問題，聚變能源是最“干凈”的能源。

20世紀(jì)初，英國物理學(xué)家阿斯頓首先發(fā)現(xiàn)了聚變反應(yīng)，他和英國物理學(xué)家盧瑟福一起證實了輕元素（原子量較小的元素）以足夠大的能量碰撞會引起核反應(yīng)。第二次世界大戰(zhàn)期間，美國物理學(xué)家費米和匈牙利物理學(xué)家愛德華·泰勒提出了氫彈原理和核聚變反應(yīng)堆的設(shè)想。

在“冷戰(zhàn)”時期，核彈成為了軍備競賽的關(guān)鍵，在20世紀(jì)50年代初，人類實現(xiàn)了聚變核反應(yīng)——氫彈的爆炸。氫彈先依靠原子彈爆炸時形成的高溫高壓，使得熱核燃料氘氚發(fā)生聚變反應(yīng)，從而釋放巨大的能量，形成前所未有的破壞力。然而，氫彈是破壞性的，而且瞬間的猛烈爆炸是不可控的。在和平年代，把聚變時釋放出的巨大能量利用起來，必須對劇烈的聚變核反應(yīng)加以控制。因此，實現(xiàn)受控?zé)岷司圩円恢笔强茖W(xué)家們的夢想。

如何實現(xiàn)可控的核聚變反應(yīng)

提供極高的溫度

原子核之間距離很近的時候，會發(fā)生靜電排斥，這種排斥力非常巨大。只有給兩個核施加巨大的外力，才能使兩個原子核靠近，通過核的力量“黏合”成整體，形成新的原子核，從而發(fā)生聚變反應(yīng)。要使兩個氘核相遇，它們的相對速度必須大于每秒1000千米，從統(tǒng)計力學(xué)的角度，粒子的熱運動就是溫度的根源，兩個氘核產(chǎn)生聚變反應(yīng)時，溫度必須高達1億攝氏度。氘核與氚核間發(fā)生聚變反應(yīng)時，溫度也高達5000萬攝氏度。在高溫之下，物質(zhì)已全部電離，形成高溫等離子體。

保證充分的約束

為了控制聚變反應(yīng)的發(fā)生，必須對高溫等離子體進行約束，即確保在聚變反應(yīng)過程中維持高溫等離子體狀態(tài)，才能發(fā)生充分的聚變反應(yīng)。如果聚變反應(yīng)釋放的能量大于產(chǎn)生和加熱等離子體的輸入能量，那么利用聚變反應(yīng)釋放出的能量就可以維持極高的溫度，無需再從外界吸收能量，聚變反應(yīng)就能夠自持進行。為實現(xiàn)這一理想，一些科學(xué)家用托卡馬克裝置開展了“磁約束聚變”研究。另一條技術(shù)路線于20世紀(jì)60年代初提出，其基本原理是把強大的激光束聚焦到熱核材料制成的微型靶丸上，在瞬間產(chǎn)生極高的高溫和極大的壓力，被高度壓縮的稠密等離子體在擴散之前，即完成全部核反應(yīng)，這就是“慣性約束聚變”。太陽對高溫粒子的約束便是依靠引力完成的。

磁約束——國際熱核聚變實驗堆（ITER）

國際熱核聚變實驗堆（ITER）主要利用了磁約束技術(shù)，該計劃是1985年由蘇聯(lián)領(lǐng)導(dǎo)人戈爾巴喬夫和美國總統(tǒng)里根在日內(nèi)瓦峰會上倡議提出的。2007年再次啟動該計劃的主要參與方有：中國、歐盟、日本、韓國、俄國、美國、印度。該計劃主要是建設(shè)一個能產(chǎn)生50萬千瓦聚變功率、有能力維持大于400秒氘氚燃燒的托卡馬克（大型磁鐵）聚變堆，一旦建成將為商業(yè)化供電設(shè)備提供技術(shù)積累及產(chǎn)品原型設(shè)計（圖1）。國際熱核聚變實驗堆計劃輸出能量達到輸入能量的10倍以上，又叫“Q>10”目標(biāo)。在它30年的運轉(zhuǎn)周期里預(yù)計會耗費大約100億歐元，因此該項目是繼國際空間站之后的第二昂貴的國際科學(xué)合作項目。

高度純凈的氘和氚的混合材料被加熱到1億度以上（形成高溫等離子體），才能達到熱核溫度。要實現(xiàn)對核聚變的控制，必須將高溫的等離子體約束在某個容器中。而磁約束技術(shù)便是通過磁場，利用洛倫茲力，將帶電的高溫等離子體約束在腔體內(nèi)。約束等離子體的磁場，雖然不怕高溫，卻很不穩(wěn)定。另外， 等離子體在加熱過程中能量也不斷損失。

法國諾貝爾物理獎得主皮埃爾-吉勒·德熱納對磁約束有個著名的批評，“我們要把太陽放到一個盒子中，這個想法很妙，但問題是我們不知道怎么來制造這樣的一個盒子”。這就是熱核聚變的另外一個核心問題：如何制造一個裝高溫等離子體的大容器？由于容器壁和高溫等離子體接觸，受到等離子體內(nèi)發(fā)出的高速粒子和輻射的強烈轟擊，放出雜質(zhì)進入等離子體，就會導(dǎo)致等離子體的冷卻而使熱核反應(yīng)停熄。同時，還可能引起極大的輻射，因而選擇合適的容器壁材料極其重要，另外輻射防護是必須要考慮到的。

目前，國際熱核聚變實驗堆托克馬克裝置高達10層樓，整個容器的體積達到837立方米，所有的磁場均通過超導(dǎo)線圈產(chǎn)生，磁場高達10特斯拉。在這樣一個容器中，等離子體的密度為1014 克/立方厘米。

慣性約束——國家點火裝置（NIF）

國家點火裝置是由勞倫斯利弗莫爾國家實驗室建造，它主要利用牛頓第三定律的慣性約束來控制核聚變反應(yīng)。該設(shè)施位于美國加州，是一座10層樓的建筑，占地面積約為3個足球場大小，建筑成本35億美元，2009年投入使用以來，運營成本已經(jīng)達到數(shù)億美元。

國家點火裝置的設(shè)計意圖是，使用激光達成極端的高溫高壓并施加于一小粒氫燃料球上，從而啟動核聚變反應(yīng)。目前，國家點火裝置是世界上最大的鐳射裝置，目標(biāo)是“點火”后就能自給自足輸出聚變能量。endprint

一個長達1000米的廠房設(shè)備最終要讓192臺激光裝置在十億分之一秒同時發(fā)射，擊中鉛筆頭大小的燃料球，誤差不能超過30皮秒（1皮秒=10-12秒），這幾乎是個不可能完成的任務(wù)。國家點火裝置的準(zhǔn)確度如同在北京投球要射中沈陽的一個籃框，其命中難度極大，命中率極小。整套裝置要運作必須啟動6萬個高科技裝置，每個裝置都包含復(fù)雜的機械構(gòu)造、電路、高壓電、能量感應(yīng)器、監(jiān)視器、自動透鏡、激光，另外還要有精準(zhǔn)的電腦反饋安全系統(tǒng)。更難的是，整套設(shè)備必須保持零震動和零熱脹冷縮，10噸重的設(shè)備其誤差范圍只能有100微米。

這種封閉型核聚變裝置利用外部的注入熱能，以達到封閉區(qū)內(nèi)的高溫高壓。封閉區(qū)中央的目標(biāo)是一個包含若干核燃料（氫或氚）的小球，尺寸大概如豆子大小，小球表面要極其光滑，才能保證聚變實驗順利進行。高溫激光會使小球表面等離子體化，發(fā)生內(nèi)爆。同時爆炸波會使小球均勻地向中央坍縮，使得球中的核燃料在高溫高壓下達到極高的密度，形成高溫等離子體，從而產(chǎn)生核聚變。在內(nèi)爆時，只要對燃料球給予正確的高溫高壓就能發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，這一現(xiàn)象就稱為“點火”（圖4），這是引發(fā)核聚變的重點過程，并且會釋放出巨大能量。在“點火”過程中，整體裝置在一個自持進行的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中產(chǎn)生的能量超過其所消耗的能量，這便是核聚變發(fā)電切實可行的前提條件。

聚變能源之路

不論是利用磁約束技術(shù)的國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃，還是利用牛頓第三定律慣性約束的國家點火裝置（NIF），都屬于大型實驗裝置。無論是從技術(shù)上還是科學(xué)理論上，核聚變實驗都面臨極大的挑戰(zhàn)。此外，這兩類裝置由于造價昂貴，因而在爭取研究經(jīng)費的道路上充滿了坎坷，這對于科學(xué)家來說是最無奈的、最無法預(yù)計的問題。從技術(shù)上而言，國際熱核聚變實驗堆預(yù)計在2020年末能夠?qū)崿F(xiàn)真正的點火，為后續(xù)發(fā)展聚變能源商用電站鋪墊好道路。

在2013年初，國家點火裝置的點火嘗試失敗后，國際媒體上充斥著取消國家點火裝置計劃的討論。而這次國家點火裝置點火成功，可以說讓人們對它又增強了信心，它照亮了人類利用聚變新能源的道路。 但這條路還很漫長，因為這次的實驗持續(xù)時間很短，輸出能量與所耗費的能量相差不大。除此之外，點火實驗中還有許多物理問題需要科學(xué)家進行深入研究，為下一次的點火做準(zhǔn)備。 如果排除掉經(jīng)費、政治等因素，人類將有可能在21世紀(jì)中葉開始真正享受到聚變能源帶來的福祉。

【責(zé)任編輯】張小萌endprint