可控核聚變

王握文　任永存　李杭

2022年年初，英國原子能研究所發(fā)布消息稱，在最近一次核聚變發(fā)電實(shí)驗(yàn)中，歐洲聯(lián)合核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（JET）在5秒內(nèi)產(chǎn)生了59兆焦耳的持續(xù)能量，打破了這一裝置在1997年創(chuàng)造的4秒內(nèi)產(chǎn)生約22兆焦耳這一紀(jì)錄，創(chuàng)造了可控核聚變能量新的世界紀(jì)錄。

所謂可控核聚變，是指在一定條件下控制核聚變的速度和規(guī)模，能實(shí)現(xiàn)安全、持續(xù)、平穩(wěn)能量輸出的核聚變反應(yīng)。在能源需求量日益增加、能源短缺日趨嚴(yán)重的今天，可控核聚變憑借原料充足、安全可靠、無污染等優(yōu)勢，被科學(xué)家視為解決人類能源問題的“光明大道”。

59兆焦耳，可以滿足一個(gè)普通家庭一天的電力需求。此次JET創(chuàng)造的世界紀(jì)錄，讓很多科學(xué)家確信，人類獲得這一“無限的能源”是可能的、可行的。

利用核聚變，難就難在“可控”二字

提起工業(yè)社會你會想到什么？滾滾蒸汽，堆積如山的煤炭，還有噴涌而出的石油……自進(jìn)入工業(yè)社會以來，以化石燃料為核心的能源不斷應(yīng)用于人們的生產(chǎn)生活，助推著工業(yè)文明發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步。即使在技術(shù)高度發(fā)達(dá)的今天，人們依然對煤炭、石油、天然氣等傳統(tǒng)能源保持著相當(dāng)大的依賴。然而，隨著人類需求的不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)能源的儲量正在不可逆轉(zhuǎn)地減少，其造成的污染更是對人類健康與生存造成嚴(yán)重影響。尋找無限的清潔能源一直是科學(xué)家努力探索與追求的目標(biāo)。

1942年12月，以美籍意大利著名物理學(xué)家恩利克·費(fèi)米為首的一批科學(xué)家，根據(jù)核裂變原理，在美國建成了世界上第一座人工核反應(yīng)堆，為人類打開了原子世界的大門。研究表明，1克鈾-235充分核裂變后，釋放出來的能量相當(dāng)于2.8噸標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒釋放的能量。這激起了世界各國利用核裂變發(fā)電的熱情。然而，這種方式存在很大局限。一方面，核裂變反應(yīng)所需的裂變?nèi)剂显诘厍蛏蟽α坑邢?；另一方面，核裂變產(chǎn)生的核廢料具有長期放射性，一旦處理不當(dāng)，會給人類及環(huán)境造成長久而巨大的影響。切爾諾貝利核電站反應(yīng)堆爆炸、日本福島核泄漏等事故的發(fā)生，更讓人們對核能產(chǎn)生了恐懼。

而利用核能發(fā)電并非只有這一條路可走。將一個(gè)大質(zhì)量的原子核分裂成兩個(gè)比較小的原子核的核裂變過程可以釋放巨大的能量。反過來，將兩個(gè)質(zhì)量小的原子核合成一個(gè)比較大的原子核的核聚變過程可以釋放更大的能量。

1939年，美國物理學(xué)家貝特通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，如果把1個(gè)氘原子核經(jīng)過加速器加速后與另1個(gè)氚原子核碰撞，會形成1個(gè)氦原子核并釋放1個(gè)自由中子。核聚變釋放的能量，是核裂變釋放能量的4倍。其實(shí)，核聚變原理的提出還要早于核裂變。然而，將核聚變作為新的清潔能源卻“道阻且長”。

武俠小說中，判斷一個(gè)人武功高低不在于他的招數(shù)威力有多大，而在于他能否收放自如。利用核聚變的難點(diǎn)也在于“可控”二字。隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步，科學(xué)家通過不懈探索和大量實(shí)驗(yàn)，在可控核聚變技術(shù)研究方面逐漸取得了長足進(jìn)展。雖然離實(shí)際應(yīng)用還有很長的路要走，但新型能源的曙光已初見端倪。

一旦可控，優(yōu)勢驚人，潛能無限

在可控核聚變領(lǐng)域，有個(gè)著名的“50年悖論”，即在科技界的預(yù)言中，距離實(shí)現(xiàn)可控核聚變永遠(yuǎn)只有50年。這很形象地說明了實(shí)現(xiàn)可控、持續(xù)的核聚變“難于上青天”。

科學(xué)家們研究的可控核聚變裝置，原理類似太陽利用核聚變發(fā)光發(fā)熱的過程，只是約束的方式不同。因此，可控核聚變裝置也被稱為“人造太陽”?？梢韵胂?，在地球上造出一個(gè)“太陽”是何等艱難——不僅要耐得住上億攝氏度的高溫，還要求等離子體密度足夠大、在有限空間里被約束足夠長時(shí)間。

困難從不是科學(xué)家停止探索的理由。20世紀(jì)中葉，蘇聯(lián)科學(xué)家研制出了一種利用磁約束來實(shí)現(xiàn)可控核聚變的環(huán)形容器。這種名為托卡馬克的裝置，為可控核聚變技術(shù)的突破打開了一扇大門。同一時(shí)期，物理學(xué)家將愛因斯坦的“受激輻射”理論變成現(xiàn)實(shí)，激光出現(xiàn)了。這一重大發(fā)明有力推動了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，也使可控核聚變研究有了一種新手段——慣性約束核聚變。用高功率激光束均勻輻照氘氚等熱核燃料組成的微型靶丸，通過燒蝕等離子體產(chǎn)生的壓力在極短時(shí)間內(nèi)把氘氚等離子體壓縮到極高的密度和溫度，從而引起核聚變反應(yīng)。美國國家點(diǎn)火裝置（NIF）就是基于慣性約束核聚變原理。

目前，磁約束核聚變與慣性約束核聚變被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)可控核聚變的兩種重要方式。從20世紀(jì)70年代末開始，一些國家紛紛興建大型托卡馬克裝置，推動著核聚變研究不斷深入。盡管還有許多核心關(guān)鍵技術(shù)需要突破，可控核聚變在徹底解決能源問題上的獨(dú)特優(yōu)勢已經(jīng)顯現(xiàn)出來。

首先，核聚變原料充足。在自然界中，氫的同位素氘和氚是最容易實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)的核素。作為核聚變原料，氘在地球上的含量相當(dāng)豐富，僅海水中的含氘總量就多達(dá)40萬億噸，如果把海水中的氘全部用于核聚變反應(yīng)，其釋放出的能量足夠人類使用上百億年。氚可由中子和鋰反應(yīng)制造，海水中含有大量的鋰。

其次，核聚變反應(yīng)安全可靠。由于核聚變堆的聚變反應(yīng)需高達(dá)上億攝氏度的超高溫條件，如果溫度達(dá)不到反應(yīng)條件或某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，反應(yīng)就會自動終止，而不會產(chǎn)生其他破壞性的影響。聚變反應(yīng)只能在這種極端條件下發(fā)生，因此不可能出現(xiàn)“失控”鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。此外，核聚變反應(yīng)依賴燃料的連續(xù)輸入，一旦終止，核聚變反應(yīng)幾秒內(nèi)就停止了，因此這一過程本質(zhì)上是安全的。

最后，核聚變生產(chǎn)應(yīng)用無污染。在氘氚核聚變過程中主要產(chǎn)生氦，氦沒有污染性，不會產(chǎn)生任何有毒氣體或者溫室氣體。因此，通過核聚變產(chǎn)生的能源，不僅是一種無限的能源，還是一種清潔的能源。

顛覆性技術(shù)重構(gòu)未來世界

作為一項(xiàng)顛覆性的能源獲取技術(shù)，可控核聚變被認(rèn)為是新一輪工業(yè)革命的突破口?？梢韵胂?，一旦可控核聚變技術(shù)成熟，它將會和蒸汽、電力、信息技術(shù)一樣，為世界帶來翻天覆地的變化。

2021年5月28日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院有“人造太陽”之稱的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST），成功實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運(yùn)行，創(chuàng)造新的世界紀(jì)錄。

消息一出，引起無數(shù)人對未來的遐想?？煽睾司圩兗夹g(shù)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化后，最直接的就是對人們社會生活的影響。隨著技術(shù)的發(fā)展，電的價(jià)格會越來越低廉。核聚變發(fā)電站會大量建起，足以滿足人類社會生產(chǎn)生活的用電需求，工業(yè)也會因此加速發(fā)展。有了更加清潔的能源，化石燃料會被替代，環(huán)境將會大大改善。

可控核聚變技術(shù)的研究經(jīng)歷了漫長的發(fā)展歷程。盡管離實(shí)際應(yīng)用還有一些距離，但西方發(fā)達(dá)國家已開始超前謀劃布局，以便搶占新的科技制高點(diǎn)。他們認(rèn)為，可控核聚變作為一種新能源，在國防和軍事領(lǐng)域同樣具有無限的應(yīng)用前景。

提升武器裝備動力性能。未來如果可控核聚變裝置能夠?qū)崿F(xiàn)長周期穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，解決對聚變“點(diǎn)火”約束條件與材料研制的技術(shù)瓶頸，并實(shí)現(xiàn)小型化，則可運(yùn)用在大型運(yùn)輸機(jī)的核能發(fā)動機(jī)上。在機(jī)身氣動與結(jié)構(gòu)不變的情況下，運(yùn)用核能發(fā)動機(jī)將提高推力載荷，允許更大的起飛質(zhì)量，縮短起飛距離，極大提高大型軍用運(yùn)輸機(jī)的航程、運(yùn)載量。

助力實(shí)現(xiàn)全電化作戰(zhàn)。可控核聚變技術(shù)作為一項(xiàng)潛力巨大的前沿顛覆性技術(shù)，一旦成熟并實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)堆小型化，將為實(shí)現(xiàn)軍隊(duì)武器裝備全電化注入強(qiáng)大動力。與傳統(tǒng)武器裝備相比，全電化武器裝備具備更強(qiáng)的自持能力，尤其是在全電化無人作戰(zhàn)裝備方面，可長時(shí)間部署于戰(zhàn)場，持續(xù)發(fā)揮效能。全電化作戰(zhàn)是信息化條件下的一種重要作戰(zhàn)模式。以激光、電磁炮、微波等新概念武器為代表的全電化作戰(zhàn)力量以電能作為“彈藥”，將顛覆傳統(tǒng)作戰(zhàn)中武器裝備對彈藥的依賴。聚變?nèi)剂侠寐矢撸苊饬藨?zhàn)場對油料的前送和補(bǔ)給壓力。通過聚變反應(yīng)堆對武器裝備采用接觸式或者直接遠(yuǎn)程充電，后勤保障質(zhì)效將得到大幅提升。

還有國外科學(xué)家提出了核聚變動力火箭的概念。以化學(xué)能為動力的火箭發(fā)動機(jī)，其推力、速度、航程都不能滿足星際航行的需要。如果以目前的火箭速度計(jì)算，飛往已知距離最近的處于宜居帶內(nèi)的系外行星，需要6萬年時(shí)間。未來如果將可控核聚變技術(shù)應(yīng)用于航天領(lǐng)域，把小型聚變反應(yīng)堆應(yīng)用到火箭發(fā)動機(jī)上，為其提供持久、高效、清潔的能源，那么，航天器速度和持續(xù)飛行能力可得到極大提升。探索外太空奧秘、實(shí)現(xiàn)星際航行不再存在能源問題，人類開啟星際探索之旅的夢想或?qū)⒆優(yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

（文章轉(zhuǎn)載自《解放軍報(bào)》2022-08-22?第11版。責(zé)編：楊思玄）