不產(chǎn)生放射性廢物、用之不竭的超級能源：核聚變本世紀將迎來“ 巨 變 ” ？

◎本刊主筆 季天也

不產(chǎn)生放射性廢物、用之不竭的超級能源：核聚變本世紀將迎來“ 巨 變 ” ？

◎本刊主筆 季天也

2016年12月12日，我國自主研制的熱核聚變核心部件，率先通過了國際權(quán)威機構(gòu)認證，為國際熱核聚變項目立了一大功，并成為新華社權(quán)威媒體評選的2016年度十大能源新聞之一。同時，我國可控核聚變試驗也制造出了比太陽中心溫度還要高的氫等離子體，并且穩(wěn)定燃燒了一分多鐘，創(chuàng)了世界紀錄。從人類走進核能大門以來，可控核聚變一直被很多科學家視為能源界一項登峰造極的“神功大法”。這門“武功”究竟有多厲害？目前人類修煉了幾成？且聽筆者一一道來。

落戶法國的國際熱核實驗反應堆（ITER）全景

核聚變：能源界的絕世武學

1932年，英國物理學家詹姆斯·查德威克開啟了原子核的大門，人類開始逐漸認識到原子驚世駭俗的“內(nèi)功”，并想方設法把它據(jù)為己用。原子核的這股巨力可以通過兩種方式來釋放，一種是鈾、钚等重原子核分裂成幾個輕原子核的裂變反應，另一種是幾個輕原子核聚合成一個重原子核的聚變反應。1945年，美國送給日本的“小男孩”和“胖子”，讓世人領教了核裂變驚世駭俗的爆發(fā)力和綿延許久的余威。此后，英、法、中等國也不甘示弱，陸續(xù)用原子彈試爆宣示自己也掌握了這門武功。

然而這些國家也發(fā)現(xiàn)，如此神功只用來打殺未免有點兒low（低端），而且沒什么前（錢）途。于是，各國紛紛走上了和平利用核能之路。1954年6月27日，前蘇聯(lián)建成了世界上第一座基于裂變原理的核電站，率先實現(xiàn)了可控核裂變，成功把剛烈“炸藥”變成了溫和“燃料”。60多年后的今天，全球已經(jīng)有400多臺核裂變反應堆在商用電網(wǎng)系統(tǒng)服役，每年為全球貢獻10%左右的電力。

同核裂變一樣，核聚變在世界舞臺上的第一次亮相也是伴隨著強光和巨響：1952年，美國人率先搞出了以氫元素的同位素三兄弟氕（piē）氘（dāo）氚（chuān）中的氘和氚為原料的氫彈，威力比核裂變又高出好幾層樓，邁出了人類修煉聚變神功的第一步。之所以稱為“神功”，是因為核聚變一旦像裂變一樣實現(xiàn)商用發(fā)電，將是顛覆世界的革命性成功，人類在能源利用上很可能再也不用精打細算了。它有這么幾大好處。

不產(chǎn)生放射性廢物

托卡馬克（Tokamak）磁約束核聚變裝置內(nèi)部全貌

好處一：高能。論核武器的威力，以鈾、钚等重元素為原料的裂變彈，通常為幾百至幾萬噸級TNT炸藥當量，而聚變彈則可大至幾千萬噸級TNT當量；論能量密度，當今裂變原理核電站主流堆型——輕水式反應堆所用的濃縮鈾（鈾-235含量為3.5%），每公斤所含的能量為345.6萬兆焦（1兆焦=1000千焦=100萬焦），相當于標準煤的118倍，而氫元素聚變反應的能量密度甩下濃縮鈾幾百條街，高達每公斤9.45億兆焦，相當于只用不到4克氫的聚變，就能達到1公斤濃縮鈾裂變放出的能量。

好處二：清潔。核裂變所用的鈾-235，反應后會分裂成碘-131、銫-137、鍶-90、氙-133、氪-88等核素，這些裂變產(chǎn)物仍然具有放射性，不能隨便亂扔，人們因此為它們準備了周密的防護和處理制度（詳見《環(huán)境與生活》雜志《處理好的核廢物輻射小于X光》《中國核燃料循環(huán)執(zhí)行“閉計劃”》等文），來保障人員和環(huán)境不受電離輻射所傷。而聚變采用的氫元素三兄弟都是自然界最小的原子，唯一的聚變產(chǎn)物是第二小的原子氦。雖然反應過程中伴隨能量輸出而帶來中子輻射，但聚變產(chǎn)物氦是完全沒有放射性和其他毒性的穩(wěn)定核素，自身安全性很高，沒有必須深埋上萬年的高放射性廢物。此外，氦的化學性質(zhì)非常慵懶，正常環(huán)境下不和任何物質(zhì)起反應，只會以無色無味的氣體形式存在。平時看到那些往上飄的氣球，就是用氦氣充的。

好處三：原料多。修煉聚變神功所需要的主材料氘，儲量只有氫的1/7000，換算到每一升海水中約含有30毫克氘。比例雖小，但總量驚人。海水中所含的氘達45萬億噸，足夠人類使用上百億年。而且，一升海水所含的氘聚變后就可產(chǎn)生相當于300升汽油的熱能。用一句話來形容就是廉價、豐富、好提取。至少到目前，氘都被看作取之不盡用之不竭的原料。

一位技師進入核聚變反應器內(nèi)部檢查等離子體（即聚變?nèi)剂希┘訜嵯到y(tǒng)

先定個小目標：燒出一億度高溫

核聚變好處這般多，但是為啥在核裂變發(fā)電已經(jīng)被人們玩得很溜的今天，無數(shù)“攻城獅”花了五六十年的心血，還是沒讓核聚變實現(xiàn)可控發(fā)電？原因是反應條件太苛刻了。

由于重原子核先天就有不穩(wěn)定的特點，裂變反應比較容易發(fā)生。但要讓輕的原子核聚合成重核，情況就完全相反了。原子核都帶正電，互相的排斥力非常巨大，正如將磁鐵相斥的兩極拼在一起那么費勁。要想聚合，必須讓它們飛快地動起來，并且能兩兩正撞，這樣就能使原子核在碰撞瞬間的動力大于它們之間的斥力，從而發(fā)生聚合。條件就是極高的溫度。在這種狀態(tài)下，原子的外層電子和原子核分離，并且可以分別自由運動，形成等離子體。

宇宙中有一群天然的巨型核聚變反應堆，那就是太陽這樣的恒星。在太陽中心，1500萬攝氏度的高溫和2000億個標準大氣壓的高壓下，氫聚變成氦。這樣的反應已經(jīng)進行了46億年，向外發(fā)出了巨大的能量。其中僅有十億分之一左右的能量落到了地球上，就滋養(yǎng)了地球。

在地球上發(fā)生核聚變是十分困難的。由于形成不了太陽那么“變態(tài)”的大氣壓，因此只能通過更高的溫度來彌補。在普通人工所能建造的反應器規(guī)模下，氘-氚聚變反應的臨界點火溫度為幾千萬到一億攝氏度，氘-氘反應的臨界點火溫度更是一億至數(shù)億攝氏度，是太陽中心溫度的好幾倍。

因此，要獲得這股聚變能量，必須要先輸給原料一股巨大的能量。氫彈正是先用一個裂變彈爆炸后產(chǎn)生的上億攝氏度高溫，而引發(fā)了核聚變。正常的發(fā)電顯然不能是炸出來的，而現(xiàn)有的任何耐火材料都扛不住4萬攝氏度以上的高溫。這下麻煩來了：怎么將核聚變的原料加熱到這么高的溫度？即使達到了這么高溫的原料，又用什么辦法來約束它們不跑掉？按現(xiàn)有的科學分析，這樣的解決方案有3種。

磁約束聚變最有望發(fā)電

一是重力約束。這里說的就是太陽。在其巨大的質(zhì)量和體積下，即便沒有特別變態(tài)的高溫（太陽有一千多萬攝氏度），也能靠引力來確保聚變粒子的密度和約束時間，從而實現(xiàn)連續(xù)而穩(wěn)定地釋放聚變能?？上В@種方案也只有太陽這么大塊頭才能辦到，在地球上是實現(xiàn)不了的。

美國國家點火裝置（NIF）的激光靶室，192束高功率激光能把聚變?nèi)剂显趲准{秒的時間內(nèi)加熱到上億攝氏度，從而引發(fā)核聚變反應。

國際熱核實驗反應堆（ITER）的尺寸與人體的對比

二是慣性約束?；驹硎怯脴O高功率的激光或其他高能粒子束，轟擊裝有聚變原料氘和氚的小球。這些激光的功率可達5億兆瓦（1兆瓦=1000千瓦），相當于美國所有電站峰值功率的500倍，使小球在納秒量級的時間內(nèi)被加熱到幾億攝氏度。因為慣性作用，里面的粒子還來不及飛散出去就已經(jīng)發(fā)生了聚變反應，也叫“靶丸聚變”。這方面最前沿的進展就是美國的國家點火裝置（NIF）和中國的神光系列裝置。美國對這種聚變裝置的期望是：當聚變輸出的能量超過為引發(fā)反應而輸入能量的10～100倍，就值得實行了。這種方案最大的不足是，每次核聚變反應的持續(xù)時間只有一瞬，能量的輸出不連續(xù)，打一發(fā)（激光）就要裝一次彈藥（小球）。雖說瞬間功率大、能量收益率高，但總的能量輸出卻很少。要想作為能源，NIF的激光發(fā)射頻率需要達到每秒10次，而目前的水平是不到5小時才發(fā)射一次。

三是磁約束。顧名思義，就是用磁場來充當約束等離子體的虛擬容器。由于磁場不是實體，所以不存在耐熱耐壓的問題。為了管好等離子態(tài)的聚變原料，基于這套方案設計的裝置千奇百怪，其中最流行的一種叫做托卡馬克的裝置。

商業(yè)化聚變能或在本世紀實現(xiàn)

“托卡馬克”這個詞，是由俄語“環(huán)形、真空室、磁、線圈”的詞頭組成，說白了就是個很像游泳圈的環(huán)形磁容器裝置。裝置的中央是一個環(huán)形真空室，外面纏繞著線圈。在通電的時候，托卡馬克的內(nèi)部會產(chǎn)生巨大的螺旋形磁場，以上千萬安培的大電流將其中的等離子體加熱到極高的溫度，以達到核聚變的條件。相比慣性約束，托卡馬克裝置可以連續(xù)輸出能量，符合發(fā)電對細水長流的要求，并且目前也能做到能量的產(chǎn)出大于投入。

過去，托卡馬克用銅做的線圈來產(chǎn)生磁場。由于磁場必須強大，相應地就需要極大的電流。這樣，線圈因為存在電阻而產(chǎn)生大量的熱，不僅是一種浪費，還可能將材料、設備燒毀。后來，人們又改用超導材料（幾乎零電阻）制作線圈，解決了電阻消耗能量過大和散熱問題。2016年11月2日，中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院的托卡馬克裝置EAST（“實驗性先進超導托卡馬克”的縮寫），獲得了超過60秒的穩(wěn)態(tài)高約束模等離子體放電，成為世界首個持續(xù)時間達到分鐘量級的托卡馬克核聚變實驗裝置。

托卡馬克裝置還有一個國際合作的大項目——國際熱核實驗反應堆（ITER），是20世紀80年代中期，由美、法等國發(fā)起的，希望借助多方力量，利用具有電站規(guī)模的實驗堆證明氘氚等離子體的受控點火和持續(xù)燃燒，驗證聚變反應堆系統(tǒng)的工程可行性，并實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運行。這個團隊由包括中國在內(nèi)的30多個國家的科研人員組成，是目前世界上最大的科學合作工程。

經(jīng)過一番唇槍舌劍和政治博弈，ITER場址最終落戶核電占比最大的法國，2008年進入實地建造階段。它占地180公頃，共由39棟建筑組成，實驗堆主體直徑28米，高30米，聚變功率達50萬千瓦，相當于中型核裂變反應堆的水平。國際核聚變界對ITER計劃及其后聚變能源發(fā)展比較普遍的看法是，建造和運行ITER的科學和工程技術(shù)基礎已經(jīng)具備，再經(jīng)過示范堆、商業(yè)聚變核電站（商用堆）兩個階段，聚變能商業(yè)化將在本世紀中葉或者稍晚實現(xiàn)。

可控核聚變“永遠的30年”魔咒

不過，計劃趕不上變化的情況太普遍了。托卡馬克裝置現(xiàn)階段的聚變功力，仍然只是入門水平，還有很多重要的“經(jīng)脈”“穴道”沒有打通。線圈所用的超導材料，造價極高不說，還必須得在接近絕對零度的超低溫下才能保持超導性，為此就需要一套相當精密的制冷系統(tǒng)，相當于“房間內(nèi)是上億攝氏度，而墻壁只有零下270攝氏度”的場景。等離子體穩(wěn)態(tài)運行方面進步雖快，但區(qū)區(qū)幾分鐘的持續(xù)輸出時間，遠遠不足以用來發(fā)電。至于“自持”這個更高境界，即反應堆不需要長時間注入大量能量就可以維持聚變反應這一塊，各國都沒多大進展，所以整體上還停留在要算計產(chǎn)出的能量能否回本的階段。

此外，對于ITER這樣一個具有劃時代意義的國際大工程，參與國家眾多也是把雙刃劍，既能聚全球精銳之師，也時有出于利益、投資等問題的扯皮和延期的事件發(fā)生，帶來了技術(shù)攻堅之外的變數(shù)。按當前計劃，ITER裝置預計2019年基本建成，2027年開展氘-氚聚變實驗，這比此前計劃的建成時間推遲了4年。

國際熱核實驗反應堆（ITER）項目參與方資金投入

氘-氚核聚變反應示意圖

在重重難題之下，可控核聚變的研究有個“永遠在30年后”的笑話，說的是核聚變每一項技術(shù)突破，幾乎都伴隨著“30年后實現(xiàn)聚變發(fā)電商用化”的美好預言，卻從來沒有應驗過。由于投入巨大，回報又沒譜，加上裂變能的利用越來越成熟，許多資本都轉(zhuǎn)向了其他看得見成就和收益的科研領域。但對核聚變持積極態(tài)度的科學家認為，核聚變這棵科技樹的果子格外好吃，種植難度大也在情理之中，花多長時間結(jié)出果子都是值得的。而一旦成功，對能源領域甚至整個人類文明，都將是脫胎換骨的巨大提升。

（季紓緯對本文亦有貢獻）

本欄目責編/季天也jtyair2013@vip.163.com