終極能源來了？創(chuàng)紀(jì)錄意味著什么

支撐人類社會運(yùn)轉(zhuǎn)的幾乎一切能源，從煤、石油、天然氣，到風(fēng)能、生物能，其本質(zhì)都是太陽能，而太陽上的能量來自內(nèi)部的核聚變反應(yīng)。當(dāng)人類發(fā)現(xiàn)太陽產(chǎn)生能量的原理（核聚變）之后，便找到了無限能源的可能性。

全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，是人類通過科學(xué)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室里復(fù)制一個“太陽”，目的就是為了尋找人類未來的能源出路。更重要的是，核聚變技術(shù)是一項(xiàng)幾乎完美的技術(shù)，不會產(chǎn)生污染且近乎于無限使用。未來一旦掌握這項(xiàng)技術(shù)，人類將踏入無限能源時(shí)代。

核聚變是理想的終極能源

能源是驅(qū)動萬物運(yùn)行的根本動力?，F(xiàn)今人類使用的能源主要有化石能源（煤、石油、天然氣）、風(fēng)能、水能、太陽能和核能（核電站發(fā)電），但這些能源都存在諸多缺陷，如面臨資源枯竭、環(huán)境污染、危害健康和生命（核電站事故產(chǎn)生輻射）、受限于氣候或地理?xiàng)l件等，因而不能全面和充分地滿足人類需求。

然而，核聚變產(chǎn)生的能源，既可以充分滿足人類需求，又沒有污染環(huán)境和危害人類、生物的弊端。

據(jù)測算，1升海水中含有的氘，核聚變反應(yīng)后即可產(chǎn)生300升汽油燃燒的能量，生成物也沒有危害。因此，核聚變能源被認(rèn)為是理想的終極能源。

人類生產(chǎn)和生活的各個方面，都可以采用核聚變能源。雖然不是“永動機(jī)”，但核聚變可以超長時(shí)間地提供能源，不僅可以實(shí)現(xiàn)美國漫威超級英雄鋼鐵俠依靠胸口那個小型反應(yīng)爐供能，日常生活中的電動汽車、手機(jī)等也都用不著充電，就連宇宙飛船都可以擁有無窮無盡的能源遨游太空。

不僅如此，核聚變的產(chǎn)物為氦和中子，不排放有害氣體，也不危害生命和健康，有助于讓生態(tài)和環(huán)境保持良好狀態(tài)，減少地球上的溫室效應(yīng)、酸雨、霧霾。而且，由于原料從海水中就能獲得，核聚變能源的獲得成本將極為低廉。

“核聚變能一旦實(shí)現(xiàn)和平利用，地球上的能源將取之不盡、用之不竭，因能源短缺帶來的社會問題可得到徹底解決，人們的生活水平也將因此而得到極大提高。”中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院院長段旭如說，像海水淡化、星際飛船這類工程，過去因耗能太大而令人們猶豫不決，而未來在可控核聚變能的支持下，都將能夠更快發(fā)展。

實(shí)現(xiàn)核聚變發(fā)電面臨兩大難點(diǎn)

核聚變的首要條件，是使燃料處于物質(zhì)第四態(tài)，即等離子體態(tài)。等離子體是一種充分電離的、整體呈電中性的氣體。在高溫狀態(tài)下，等離子體中的電子獲得足夠的能量擺脫原子核的束縛，原子核完全裸露，使得核子碰撞和反應(yīng)成為可能。

當(dāng)?shù)入x子體的溫度達(dá)到幾千萬攝氏度甚至數(shù)億攝氏度時(shí)，原子核可以克服斥力進(jìn)行聚合反應(yīng)。再加上足夠的密度和足夠長的熱能約束時(shí)間，核聚變反應(yīng)就可以穩(wěn)定地持續(xù)進(jìn)行。

當(dāng)然，可控核聚變作為一種能源，最重要的指標(biāo)是能量增益系數(shù)，可稱為Q，即聚變產(chǎn)生的能量與維持等離子體所消耗的能量的比值，也就是輸出/輸入。顯然，Q要大于1，即輸出大于輸入才能為人們供給能源。

早在1957年英國物理學(xué)家勞森就提出了一個準(zhǔn)則，如果想要Q大于1，等離子體的密度、溫度、能量約束時(shí)間的乘積（即聚變?nèi)胤e）應(yīng)當(dāng)大于一個定值。

也就是說，要讓“人造太陽”的產(chǎn)能和供能成為現(xiàn)實(shí)，必須滿足幾個條件：要有1億攝氏度以上的高溫，要把等離子體長時(shí)間約束在有限的空間中，還要有足夠高的密度。進(jìn)一步看，要實(shí)現(xiàn)核聚變發(fā)電，如何實(shí)現(xiàn)上億攝氏度點(diǎn)火和等離子體穩(wěn)定長時(shí)間約束控制，是尤為困難的兩大難點(diǎn)。

現(xiàn)在，中國的研究也正在朝向這個定值發(fā)展。中國在EAST裝置進(jìn)行的核聚變實(shí)驗(yàn)，是通過電磁感應(yīng)的磁通量變化，將能產(chǎn)生≥100萬安培的等離子體電流，持續(xù)時(shí)間將達(dá)到1 000秒，在高功率加熱下溫度將超過1億攝氏度。

多國都在推進(jìn)“人造太陽”計(jì)劃

由于認(rèn)識到核聚變是解決人類未來能源的終極目標(biāo)，因此，國際上核聚變研究既有合作，也有競爭。

合作的標(biāo)志是，2020年7月28日，國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃重大工程安裝啟動儀式在法國該組織總部舉行。ITER計(jì)劃由中國與歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國七方共同實(shí)施。

作為聚變能實(shí)驗(yàn)堆，ITER要把上億攝氏度、由氘氚組成的高溫等離子體約束在體積達(dá)837立方米的磁籠中，產(chǎn)生50萬千瓦的聚變功率，持續(xù)時(shí)間達(dá)500秒。這個數(shù)量級的熱功率，已經(jīng)相當(dāng)于一個小型熱電站的水平。

這種磁籠就是全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，美、韓等國都在進(jìn)行相關(guān)研究。

2020年12月28日，韓國超導(dǎo)托卡馬克高級研究（KSTAR，稱為韓國的“人造太陽”）創(chuàng)造當(dāng)時(shí)新的世界紀(jì)錄，其離子體在超過1億攝氏度下維持了20秒。顯然，要比中國現(xiàn)在的1.2億攝氏度101秒等離子體運(yùn)行在溫度上較低，在時(shí)間上也差了很多。

而在更早之前的2018年，美國麻省理工學(xué)院等離子體科學(xué)與核聚變中心，開始設(shè)計(jì)建造比ITER更先進(jìn)的聚變反應(yīng)堆SPARC。目的是建造最快、最小、民營、實(shí)惠、既緊湊又強(qiáng)力的熱核聚變裝置，比ITER反應(yīng)堆體積縮小數(shù)十倍、成本大幅降低，但這一目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)，還有待觀察。

現(xiàn)在，中國研究人員實(shí)現(xiàn)了1.2億攝氏度101秒等離子體運(yùn)行，把2020年EAST裝置物理實(shí)驗(yàn)獲得的1億攝氏度20秒的世界紀(jì)錄提高了5倍，說明中國在EAST裝置綜合研究能力上又有了重大突破，也向獲得核聚變能源邁出了重要一步。

未來，如果實(shí)現(xiàn)“人造太陽”產(chǎn)能和供能，對于整個人類世界將是比工業(yè)革命更能推動社會進(jìn)步的又一次科技革命。