如何在地球上制造一顆太陽

文| 馬 迪

根據(jù)科學(xué)家的估計，人類要實(shí)現(xiàn)可控核聚變商用可能只需要數(shù)十年，這意味著我們很有希望在有生之年里見證“人造太陽”的誕生。

近期，有關(guān)“核”的各種話題在全球范圍內(nèi)引發(fā)了廣泛關(guān)注和熱議。這波討論的起因，既包括諾蘭導(dǎo)演的話題電影《奧本海默》讓人重溫了原子彈的恐怖威力，也源于日本開始向海洋排放核污染水的肆意妄為，很多人開始將與核有關(guān)的所有技術(shù)都視為恐怖和危險的代名詞。凡此種種，應(yīng)該正確看待。

不管是原子彈還是當(dāng)前各國運(yùn)行的核發(fā)電站，其能量來源都是核裂變反應(yīng)，也就是用中子轟擊不穩(wěn)定的重元素放射性同位素原子（比如鈾235），使之分裂并釋放出更多的中子，從而擊中更多的鈾235，形成持續(xù)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)必須進(jìn)行精密控制，一旦失控就是巨大的事故，就像切爾諾貝利和福島發(fā)生的那樣。

但看過《奧本海默》的我們知道，核反應(yīng)除了裂變，還有一種叫做核聚變，它就是我今天想要介紹的主角。

簡單來說，核聚變是指由質(zhì)量輕的原子（主要是指氫的同位素氘和氚）在超高溫條件下，發(fā)生原子核互相聚合作用，生成較重的原子核（氦），并釋放出巨大能量的過程。其實(shí)我們每天都能看到這個現(xiàn)象—已經(jīng)燃燒了50億年的太陽，夜空中或明或暗的繁星，本質(zhì)上都是一個個巨大的核聚變反應(yīng)堆。

20世紀(jì)末，國際能源署曾向能源領(lǐng)域的2000位科學(xué)家發(fā)過一份調(diào)查問卷，其中一個問題是：人類的終極能源是什么？近80%的回答都是“核聚變”。

與核裂變（主要在核電站和原子彈中使用）相比，核聚變的放射性廢物要少得多，而且不會發(fā)生可能導(dǎo)致反應(yīng)堆熔毀的失控鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。聚變產(chǎn)生的核廢料半衰期極短，即使發(fā)生事故也可以將危害降到最低，短時間內(nèi)環(huán)境即可恢復(fù)正常。

核聚變另一個優(yōu)勢在于其豐富的燃料儲量。海水中蘊(yùn)含極豐富的氫元素的同位素“氘”就是最好的核聚變?nèi)剂希?克氘全部釋放的能量相當(dāng)于8噸煤，這意味著隨便一座小型的可控核聚變發(fā)電廠就可以輸出千億瓦量級的電，電力將便宜到不用計量隨便用的程度。換言之，人類將徹底實(shí)現(xiàn)能源自由。

利用輕核聚變原理，1952年科學(xué)家就成功試爆了氫彈，但氫彈是不可控制的核聚變反應(yīng)，能量以爆炸的形式被瞬間釋放。如果能讓核聚變按照人們的需要，持續(xù)穩(wěn)定地釋放，就可以像太陽一樣帶來無窮無盡的能量。因此，可控核聚變反應(yīng)堆又常常被稱為“人造太陽”。

核聚變不難，但難在“可控”二字，即合理地控制核聚變的速度和規(guī)模。由于原子核都帶有正電荷，只有極高的溫度、壓力才能克服原子核之間巨大的核力使得氫核結(jié)合。所以首先必須提高物質(zhì)的溫度達(dá)到約1億攝氏度，使原子核和電子分開，成為等離子體，然后持續(xù)地控制等離子體的溫度、密度和封閉時間，三項(xiàng)條件缺一不可。

那么什么樣的容器能將承載這樣高溫的離子體呢？一種解決思路是利用強(qiáng)磁場，也稱為磁約束核聚變。20世紀(jì)50年代蘇聯(lián)科學(xué)家設(shè)計出一種被稱為托卡馬克（Tokamak）的環(huán)形容器。

理想的磁約束核聚變中，科研人員首先利用加熱系統(tǒng)將聚變?nèi)剂霞訜嶂粮邷氐入x子體狀態(tài)，然后利用磁場約束等離子中的帶電粒子，主要包括氘原子核和電子，帶電粒子會沿著磁場線螺旋運(yùn)動，從而避免直接與外部的容器壁接觸，被磁場約束的等離子體將繼續(xù)升溫至超過1億攝氏度，直到引發(fā)核聚變反應(yīng)。

目前在建的最大的實(shí)驗(yàn)型聚變裝置為法國南部的國際熱核聚變反應(yīng)堆。它使用等離子體半徑為6.2米的大型托卡馬克，整個機(jī)器將重達(dá)2.3萬噸。目前歐盟、英國、中國、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國等國都加入了這個項(xiàng)目，ITER有望成為第一個以發(fā)電廠規(guī)模（約500兆瓦）展示持續(xù)電力輸出的核聚變反應(yīng)堆。

另外，美國加州國家點(diǎn)火裝置實(shí)驗(yàn)室（NIF）2022年12月宣布實(shí)現(xiàn)了史上首次“凈能量增益”，也就是從可控核聚變反應(yīng)中提取的能量超過了觸發(fā)該反應(yīng)的能量，為點(diǎn)燃“人造太陽”邁出了重要一步。根據(jù)科學(xué)家的估計，人類要實(shí)現(xiàn)可控核聚變商用可能只需要數(shù)十年，這意味著我們很有希望在有生之年里見證“人造太陽”的誕生。

那必將是載入人類歷史的奇跡時刻。