“核能”的威力

李會超

太陽每天東升西落，給予地球光和熱。植物利用太陽光的能量，可以進行光合作用，為地球提供源源不斷的氧氣和有機物。煤和石油等化學燃料中蘊含的能量，歸根結(jié)底也來自遠古植物的光合作用。所以，可以說太陽就是地球的能量之源。

我們已經(jīng)知道，太陽的光和熱來自“核聚變”。那么，核聚變到底是什么？它的威力有多大呢？一起來探秘吧！

釋放巨大能量的核反應

汽車在行駛時能夠?qū)⑷加偷幕瘜W能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動汽車的動能;煤爐在燃燒時會將煤的化學能轉(zhuǎn)化為熱能（也稱“內(nèi)能”）;火力發(fā)電廠則是將煤或石油的化學能轉(zhuǎn)化為電能供大家使用。在我們的日常生活中，燃燒煤和石油，是獲取能量最常見也是最便捷的方式。在燃燒產(chǎn)生的化學反應中，化合物中的原子改變了組合的方式，但原子本身的元素種類沒有改變。

20世紀初，物理學家發(fā)現(xiàn)了一種更有效的釋放能量的方式——核反應。與化學反應不同的是，在核反應過程中，原子本身的元素種類會發(fā)生改變。核反應后生成的物質(zhì)質(zhì)量比核反應之前要小，而減少的那部分物質(zhì)轉(zhuǎn)化成了能量。

核反應分為核聚變和核裂變兩種。簡單來說，核聚變是幾個小原子核聚合成一個大的原子核，而核裂變則是一個大原子核裂變成幾個小原子核。早在“二戰(zhàn)”末期，人們就已經(jīng)開始利用原子能制造威力巨大的新型武器——原子彈。1945 年，美國向日本的廣島和長崎投下兩顆原子彈，給日本造成了巨大的災難，使日本最終放棄抵抗，無條件投降。而這也是原子彈在實戰(zhàn)中的唯一一次應用?！岸?zhàn)”之后，美國和蘇聯(lián)相繼研發(fā)了威力更大的氫彈。氫彈和原子彈一樣，也都是利用核反應釋放的巨大能量，爆炸產(chǎn)生殺傷力。但氫彈與原子彈不同的是，氫彈利用的是核聚變反應，而原子彈利用的是核裂變反應。

無論原子彈還是氫彈，都是不可控的核反應形式。它們可以在戰(zhàn)爭期間快速摧毀敵方的城市，卻不能在和平時期為人們所用。在原子彈出現(xiàn)之后，人們又發(fā)明了可以控制的“核裂變反應堆”。在反應堆中，人們可以通過注入粒子的數(shù)量控制核反應的速率，從而讓核反應緩慢逐步地發(fā)生。在民用領(lǐng)域，核反應堆被應用到核電廠發(fā)電;而在軍事領(lǐng)域，核反應堆則為核動力航空母艦和潛水艇等提供了強勁而持續(xù)的動力。

目前，可以使用的核裂變?nèi)剂霞昂朔磻蟮纳晌?，都具有對人體和環(huán)境有害的放射性。因此，無論是核反應堆的日常運行，還是核廢料的處理，都要特別小心。

與核裂變相比，核聚變使用的原料更加清潔，放射性污染的風險更小。然而，核聚變發(fā)生的條件十分苛刻，目前人們還沒有完全掌握可控的核聚變技術(shù)。但是，你知道嗎，一種可控的核聚變已經(jīng)在太陽內(nèi)部進行了幾十億年。

太陽內(nèi)部的可控核聚變

核聚變只有在原子克服了彼此之間的超強靜電斥力，彼此接近到距離非常近的程度時才有可能發(fā)生。在引爆氫彈時，觸發(fā)核聚變靠的是先行引爆的一顆小型核裂變原子彈所產(chǎn)生的溫度和壓強。而太陽這樣的恒星，發(fā)生核聚變靠的則是自身物質(zhì)在重力作用下的擠壓。在太陽形成的過程中，原始星云的物質(zhì)不斷向中心收縮，中心的密度和壓強持續(xù)增高，迫使氫原子核相互接近，進而觸發(fā)了核聚變反應，形成了原恒星。

當太陽由原恒星成長為一顆成熟的恒星后，核反應的速率與恒星物質(zhì)的重力達到了精妙的平衡。如果太陽從平衡態(tài)向外膨脹，中心受到的擠壓減小，核反應的速率就會降低，產(chǎn)生的能量就會減少，恒星中心的溫度就會下降。這樣一來，恒星中心向外膨脹的力無法支撐恒星向中心收縮的重力，膨脹過程就無法持續(xù)。相反，如果太陽從平衡態(tài)向內(nèi)收縮，就會使核反應加速，產(chǎn)生更大的向外膨脹的力，收縮過程同樣無法持續(xù)?？傊?，一旦步入壯年，太陽向外擴張便會后勁不足，向內(nèi)收縮又會受到很大的抵抗力，因此它只能保持一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，同時進行穩(wěn)定的可控核聚變。

在太陽的內(nèi)部，核聚變反應僅僅發(fā)生在日核區(qū)，因為只有這個區(qū)域的密度和壓強能夠滿足核聚變反應的要求。在日核區(qū)高溫高壓的環(huán)境下，太陽中的氫原子持續(xù)而緩慢地發(fā)生核聚變反應。4個氫原子將會聚變成1 個氦原子，同時釋放電子、高能伽馬光子和能量，以維持此處的高溫狀態(tài)，使核反應能夠持續(xù)下去。在日核區(qū)以外、最靠近日核區(qū)的圈層，核反應產(chǎn)生的能量以輻射的方式向外傳播。再往外，能量傳播的主要方式變成了等離子體的對流。因此，這兩個圈層也被稱為輻射區(qū)和對流區(qū)。由于溫度的降低，這兩個層區(qū)內(nèi)沒有核反應發(fā)生。高能伽馬光子與組成太陽的離子、電子不斷碰撞，不斷重復“先吸收后輻射”的過程，形成了X 射線、紫外線、可見光等多個波段的輻射。我們能夠用肉眼察覺到的可見光，就主要產(chǎn)生于對流層以上的光球?qū)印?p>

人造太陽——托卡馬克

雖然目前人類還沒有研發(fā)出像核反應堆那樣成熟實用的人工可控核聚變裝置，但這方面的先驅(qū)性研究已有不少，其中研究進展最明顯的是一個名為“托卡馬克”的裝置。這種裝置試圖像太陽一樣，借助可控核聚變的方式來獲得能量，因此也被人們形象地稱為“人造太陽”。

前面講到，要發(fā)生核聚變，就必須讓原子克服靜電斥力，相互接近。而這一過程，可以通過給物質(zhì)加熱的方式來實現(xiàn)。物質(zhì)的溫度越高，內(nèi)部粒子“四處亂撞”的不規(guī)則運動就越劇烈。計算表明，在地球上可以產(chǎn)生的壓強下，需要把物質(zhì)加熱到數(shù)千萬攝氏度以上，才有可能觸發(fā)核聚變反應。然而，如此高的溫度，任何材料都無法承受，進行核聚變反應的容器會在瞬間被氣化，導致核聚變無法進行。

為了解決這一問題，科學家想到利用磁場的無形約束，來將高溫粒子束縛在容器內(nèi)部，并且與容器壁脫離。磁場之所以有這樣的本事，是因為在如此高的溫度之下，物質(zhì)已經(jīng)被電離成等離子體態(tài)，組成等離子體的離子和電子都是帶電粒子，能夠與磁場相互作用。“托卡馬克”就是這樣一種用磁場約束高溫等離子體，進行核聚變反應的裝置，它的形狀很像一個放倒的輪胎。高溫等離子體和“托卡馬克”外壁之間形成了一個接近真空的“隔熱層”，能夠保護外壁不被燒穿。

目前，僅有少數(shù)幾個國家正在用托卡馬克裝置進行可控核聚變研究。中國科學院等離子體物理研究所的“東方先進超導托卡馬克（EAST）”裝置，是目前世界上幾個先進的托卡馬克裝置之一，它的磁場全部由超導系統(tǒng)（一種由電阻接近0的材料構(gòu)成的系統(tǒng)，能夠穩(wěn)定產(chǎn)生強磁場）產(chǎn)生。目前，EAST 已經(jīng)實現(xiàn)了1000秒的點火時間。所謂“點火時間”，是指托卡馬克裝置內(nèi)的核聚變反應被觸發(fā)后，能夠自發(fā)維持核聚變反應的時間。1000秒的點火時間雖然不長，但在國際上已屬領(lǐng)先水平。

“認識”太陽使我們發(fā)現(xiàn)了核反應，而利用核聚變“制造”太陽或許能夠在未來幫助我們拯救能源不足的地球。

診斷系統(tǒng)

“東方超環(huán)”在進行實驗時，科學家們需要全程監(jiān)控它的各項反應參數(shù)。然而，由于“超高溫度”造成的極限環(huán)境使得反應參數(shù)很難直接測量，科學家們就“迂回”地采用光譜分析來推導里面的各項參數(shù)。因為這種方法很像醫(yī)生通過聽診來判斷人的健康情況，所以極限環(huán)境下的測量系統(tǒng)又被稱為“診斷系統(tǒng)”。

微波加熱系統(tǒng)

采取家用微波爐的微波共振原理，通過數(shù)萬倍于家用微波爐的加熱功率將聚變?nèi)剂系臏囟燃訜岬缴蟽|攝氏度，以達到核聚變所需的反應溫度（相當于數(shù)萬個家用微波爐同時運轉(zhuǎn)）。

電流引線系統(tǒng)

將變電站中的“超大電流”（約為家用電流的1 萬倍）輸入“東方超環(huán)”的通電線圈中，以此產(chǎn)生“超強磁場”。因該系統(tǒng)須暴露在室溫環(huán)境中，無法使用超導材料，所以電流引線很粗，并且外面還包覆一層水循環(huán)冷卻系統(tǒng)來降溫。

低溫分配系統(tǒng)

為“東方超環(huán)”上的超導材料分配低溫冷卻劑（主要是零下269 攝氏度的液氦），使超導導體達到所需的低溫，從而使“超大電流”在超導材料上能夠“無阻礙”地通過。

抽真空系統(tǒng)

“東方超環(huán)”同時存在著“上億攝氏度”和“零下269攝氏度”兩個極限溫度。真空是有效隔熱的主要手段，也是在地球上盛裝“上億攝氏度”聚變?nèi)剂系幕A(chǔ)。抽真空系統(tǒng)可以將整個裝置主機內(nèi)抽成需要的真空環(huán)境，為有效隔絕極高溫與極低溫奠定基礎(chǔ)，并為核聚變反應提供純凈環(huán)境。

中性束注入系統(tǒng)

利用中性粒子不受磁場控制的原理，將加速后具有巨大動能的中性粒子與帶電粒子進行碰撞來傳遞能量，從而加熱聚變?nèi)剂稀?/p>