可控核聚變
——“無限的能源”夢想

文 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)電實驗中，歐洲聯(lián)合核聚變實驗裝置（JET）在5秒內產(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秒內產(chǎn)生約22兆焦耳這一紀錄，創(chuàng)造了可控核聚變能量新的世界紀錄。

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，能實現(xiàn)安全、持續(xù)、平穩(wěn)能量輸出的核聚變反應。在能源需求量日益增加、能源短缺日趨嚴重的今天，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，可以滿足一個普通家庭一天的電力需求。此次JET創(chuàng)造的世界紀錄，讓很多科學家確信，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……自進入工業(yè)社會以來，以化石燃料為核心的能源不斷應用于人們的生產(chǎn)生活，助推著工業(yè)文明發(fā)展和科學技術進步。即使在技術高度發(fā)達的今天，人們依然對煤炭、石油、天然氣等傳統(tǒng)能源保持著相當大的依賴。然而，隨著人類需求的不斷擴大，傳統(tǒng)能源的儲量正在不可逆轉地減少，其造成的污染更是對人類健康與生存造成嚴重影響。尋找無限的清潔能源一直是科學家努力探索與追求的目標。

1942年12月，以美籍意大利著名物理學家恩利克·費米為首的一批科學家，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于2.8噸標準煤燃燒釋放的能量。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，核裂變反應所需的裂變燃料在地球上儲量有限；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，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。將一個大質量的原子核分裂成兩個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，將兩個質量小的原子核合成一個比較大的原子核的核聚變過程可以釋放更大的能量。

1939年，美國物理學家貝特通過實驗證實，如果把1個氘原子核經(jīng)過加速器加速后與另1個氚原子核碰撞，會形成1個氦原子核并釋放1個自由中子。核聚變釋放的能量，是核裂變釋放能量的4倍。其實，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。利用核聚變的難點也在于“可控”二字。隨著現(xiàn)代科技的進步，科學家通過不懈探索和大量實驗，在可控核聚變技術研究方面逐漸取得了長足進展。雖然離實際應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

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

科學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”。可以想象，在地球上造出一個“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間。

困難從不是科學家停止探索的理由。20世紀中葉，蘇聯(lián)科學家研制出了一種利用磁約束來實現(xiàn)可控核聚變的環(huán)形容器。這種名為托卡馬克的裝置，為可控核聚變技術的突破打開了一扇大門。同一時期，物理學家將愛因斯坦的“受激輻射”理論變成現(xiàn)實，激光出現(xiàn)了。這一重大發(fā)明有力推動了相關技術的發(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)生的壓力在極短時間內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。美國國家點火裝置（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為是實現(xiàn)可控核聚變的兩種重要方式。從20世紀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鍵技術需要突破，可控核聚變在徹底解決能源問題上的獨特優(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現(xiàn)聚變反應的核素。作為核聚變原料，氘在地球上的含量相當豐富，僅海水中的含氘總量就多達40萬億噸，如果把海水中的氘全部用于核聚變反應，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制造，海水中含有大量的鋰。

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

最后，核聚變生產(chǎn)應用無污染。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。

顛覆性技術重構未來世界

作為一項顛覆性的能源獲取技術，可控核聚變被認為是新一輪工業(yè)革命的突破口。可以想象，一旦可控核聚變技術成熟，它將會和蒸汽、電力、信息技術一樣，為世界帶來翻天覆地的變化。

2021年5月28日，中國科學院合肥物質科學研究院有“人造太陽”之稱的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST），成功實現(xiàn)可重復的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行，創(chuàng)造新的世界紀錄。

消息一出，引起無數(shù)人對未來的遐想。可控核聚變技術實現(xiàn)商業(yè)化后，最直接的就是對人們社會生活的影響。隨著技術的發(fā)展，電的價格會越來越低廉。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。

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

提升武器裝備動力性能。未來如果可控核聚變裝置能夠實現(xiàn)長周期穩(wěn)態(tài)運行，解決對聚變“點火”約束條件與材料研制的技術瓶頸，并實現(xiàn)小型化，則可運用在大型運輸機的核能發(fā)動機上。在機身氣動與結構不變的情況下，運用核能發(fā)動機將提高推力載荷，允許更大的起飛質量，縮短起飛距離，極大提高大型軍用運輸機的航程、運載量。

助力實現(xiàn)全電化作戰(zhàn)。可控核聚變技術作為一項潛力巨大的前沿顛覆性技術，一旦成熟并實現(xiàn)聚變反應堆小型化，將為實現(xiàn)軍隊武器裝備全電化注入強大動力。與傳統(tǒng)武器裝備相比，全電化武器裝備具備更強的自持能力，尤其是在全電化無人作戰(zhàn)裝備方面，可長時間部署于戰(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。聚變燃料利用率高，避免了戰(zhàn)場對油料的前送和補給壓力。通過聚變反應堆對武器裝備采用接觸式或者直接遠程充電，后勤保障質效將得到大幅提升。

還有國外科學家提出了核聚變動力火箭的概念。以化學能為動力的火箭發(fā)動機，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算，飛往已知距離最近的處于宜居帶內的系外行星，需要6萬年時間。未來如果將可控核聚變技術應用于航天領域，把小型聚變反應堆應用到火箭發(fā)動機上，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將變?yōu)楝F(xiàn)實。