可控核聚變

核聚變——這種無須燃燒化石燃料，也不產生長壽命的放射性廢物的核反應方式，它的優(yōu)點是清潔、安全。幾十年來，無數人都憧憬著通過核聚變徹底擺脫能源不足的困境。今天，我們離實現這一目標或許近在咫尺。

在過去的46億年里，太陽依靠足夠多的氫源源不斷地聚變產生能量，這些能量從太陽核心到達太陽表面 （光球層） ，并以電磁波的形式奔向太空。在經歷了約8分鐘的旅行后，太陽釋放出的能量只有約1/20億被地球獲取。雖然這個比例如此渺小，但總量依然驚人——地球每秒從太陽那里獲取的能量相當于400萬噸石油完全燃燒釋放的能量。

太陽核聚變的本質

在太陽核心，巨大的質量創(chuàng)造出極端的溫度和壓強環(huán)境，迫使原子核相互高速碰撞。一旦碰撞的能量突破庫侖勢壘，原子核融合在一起，聚變鏈式反應就被啟動。在氫聚變成氦的過程中，會有約0.7%的質量虧損，這部分質量以能量的形式輻射出去，這部分虧損的質量就是核聚變的巨大能量來源。

不可控核聚變

把發(fā)生在太陽核心的核聚變反應搬到地球上，結果之一就是熱核武器（ 即氫彈） 。世界上當量最大的熱核武器當屬蘇聯的“沙皇炸彈”，其爆炸讓距離爆心170千米外的人被熱風灼傷，220千米外的人視神經受損，甚至讓歐亞大陸產生了幾毫米的位移。這股摧枯拉朽橫掃一切的力量，僅僅來自2噸氘化鋰。更讓人驚嘆的是，聚變反應只釋放了這2噸氘化鋰全部能量的0.7%。

為什么核聚變釋放的能量遠超化學反應？首先，原子中超過99.94%的原子質量都存在于原子核中，這意味著原子核蘊含了一顆原子的絕大部分能量。其次，核聚變的基礎是強力，而化學反應的基礎是電磁力，在相同距離的前提下，前者的強度是后者的約137倍。

在地球上造太陽

氫彈的核聚變反應需要通過原子彈的內爆，為核聚變反應創(chuàng)造起始條件，但這種利用方式是不可控的。因此，科學家希望發(fā)明一種裝置，可以有效控制“氫彈爆炸”的過程，實現可控核聚變。

可控核聚變反應堆，也被科學家稱為“人造太陽”，是照亮人類未來的終極能源夢想。太陽內部的極高溫度（超過1500萬℃） 和極端壓強環(huán)境會自然誘發(fā)核聚變。但人類在地球上很難復制太陽內部的極端壓強環(huán)境和巨大的物質量，為了給予聚變材料足夠高的動能，讓它們突破庫侖勢壘，就需要達到超過1億℃的高溫。此外，我們還需要精細調節(jié)反應堆的壓強和磁場強度，使反應物足夠穩(wěn)定，延長聚變反應的持續(xù)時間，從而讓反應堆持續(xù)輸出能量。

托卡馬克

1954年，蘇聯建造出了第一個磁約束裝置——托卡馬克 （Tokamak） 。托卡馬克也叫環(huán)流器，是一個包含封閉強磁場的“容器”，在這個容器中，帶電的等離子體粒子會沿封閉的磁力線做螺旋式運動。就這樣，不需要任何有形物體的承載，幾億攝氏度高溫的等離子體就可以被托舉在半空中進行加熱。

我國自行設計研制的國際首個全超導托卡馬克裝置——“東方超環(huán)”（ 簡稱EAST） ，近年來頻頻刷新最好成績。2023年4月，“東方超環(huán)”實現了高功率穩(wěn)定的403秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束模式等離子體運行，創(chuàng)造了托卡馬克裝置穩(wěn)態(tài)高約束模式運行新的世界紀錄。東方超環(huán)將不可能化為可能，因為在它內部，同時承載著1億℃ （等離子體） 的超高溫和-269℃ （超導體） 的超低溫，而兩個極端溫度之間的最短距離僅為1.2米。2023年8月，我國“環(huán)流三號”成功實現了100萬安培等離子體電流下的高約束運行模式，標志著我國磁約束核聚變裝置運行水平邁入國際前列。

國家點火裝置

2022年12月，美國科學家在國家點火裝置中通過聚變反應實現凈能量增益，也就是輸出的能量超過了輸入的能量。國家點火裝置的激光設施跟一個體育場的大小差不多，但是真正的反應區(qū)只有橡皮擦大小。192束激光將2.05兆焦耳的能量輸入到“橡皮擦”中，四面八方均勻射入的高能激光束持續(xù)壓縮并最終引爆靶丸，產生一個小的聚變“熱點”，在短時間內產生了3.15兆焦耳的能量輸出。這種聚變反應方式對激光光源的穩(wěn)定性和更換靶丸的速度提出了極高的要求。

1千克反應物通過核聚變產生的能量是核裂變（ 用于核電站發(fā)電） 的4倍，是同等質量的煤燃燒所釋放能量的400萬倍。理論上，只需要指甲蓋兒這么大一塊的反應物進行聚變反應，就能提供一個普通人約60年生活所需要的全部能量。

2023年12月，“可控核聚變”入選“2023年度十大科技名詞”。科學家預測，到2050年左右，人類有可能真正使用上核聚變能源。無限清潔能源之夢，有望在可預見的未來成為現實。