【世界博览】“人造小太阳”何时照亮地球

从绿皮火车到高铁，从手摇发电、风力发电到大型核电站，人类的科技正在高速发展，我们也正享受着这个时代带来的福利。汽车、飞机、手机、电脑……数不清的现代科技正在改变人类的生活。由于目前各国主要使用的能源，依旧偏向于石油、煤炭等化石原料，这就导致了人类在大力发展生产、革新工业的同时，地球也在负重前行。而可控核聚变技术或许能够改变这一现状。

什么是可控核聚变

想要了解什么是可控核聚变，就要先从核裂变和核聚变的区别说起。核裂变简言之是较重的原子核裂变产生比较轻的原子核并且释放能量的过程，从原子弹到核电站，核裂变带给我们很多好处，而且现今核裂变技术已经非常成熟。那什么是核聚变呢？核聚变就是两个较轻的原子核，在一定条件下聚合为一个较重的原子核，并释放出能量的过程。

当地时间2020年7月,国际热核聚变实验堆(ITER)在法国南部正式启动。

当两个原子结合在一起，形成一个更重的原子时，就会发生核聚变。在结合和形成的过程中新原子的总质量小于形成它的两个原子的总质量；此时“缺失”的质量则以能量的形式释放出来。虽然核聚变的能量非常高，但产生的核废料却非常少。但是在通常情况下，核聚变是无法实现的，因为带正电的离子之间存在强烈的斥力，使它们的密度不够大，无法发生碰撞和核聚变。然而，假设一个这样的状态：原子核可以克服静电力，那么它们就可以在非常近的距离内到达某个位置。在那个位置，核之间的吸引力（将质子和中子在原子核中结合在一起的力)将超过斥力（静电），使离子发生聚变。而实现这一理论的条件是足够高的温度。温度不同的微观表象是粒子运动的剧烈程度不同，当温度升高时，粒子以更多的能量和更快的速度移动，最终达到足够高的速度将原子核捆绑在一起，然后离子就会发生聚变，产生大量的能量。可控核聚变俗称“人造小太阳”，因为太阳的原理就是核聚变反应。可控核聚变就是在核聚变的基础上更进一步，可以控制核聚变的过程。例如，人类早已实现了氘氚核聚变———氢弹爆炸，但氢弹是不可控制的爆炸性核聚变，瞬间能量释放只能给人类带来灾难。但是如果我们实现了可控核聚变，那我们就可以控制氢弹爆炸的程度，控制到底怎么爆炸，让能量持续稳定地输出。发生核聚变的条件非常苛刻，需要高温、高密度、封装时间长，这3个条件缺一不可。高温可以让微观粒子剧烈运动，高密度可以增大原子核接触的机会，长时间的封装环境可以保持等离子体的状态。而可控核聚变所提及的“可控”就是想办法控制这3个条件。那么有没有一种环境能够自然地满足核聚变所需的这些严苛条件呢？答案是有，那就是太阳。太阳的中心具有1500万摄氏度的高温和2000亿个大气压的高压，因此氢在这个“较低”的温度下就聚变成了氦。这样的反应已经进行了差不多46亿年，产生了巨大的能量。而在地球上没有那么高的压强，要发生聚变，对于温度的要求就更为严苛。所以为了降低聚变反应的难度，在地球上通常使用氢的同位素，例如氘(2H)和氚(3H)（尤其是两者的混合物），因为它们比氢更容易达到核聚变的要求。

可控核聚变的用途

人类目前可以利用核裂变来发电了，那为什么还要大费周章的去研究核聚变呢？事实上，地球上能够进行核裂变的资源非常有限。据相关数据显示，目前地球上可用于核裂变的成熟材料仅够人类使用数十年。相比之下，地球上可以进行核聚变的资源要多得多。海洋里含有40万亿吨的氘，这一元素如果全部用于聚变反应，释放出的能量足够人类使用几百亿年，而且其反应的产物是无放射性污染的氦。这样描述核聚变能够释放的能量可能不够直观，举个例子：如果将该元素充分加以利用，每一公斤的氘可以产生近1亿度的电力。未来的我们或许就有用之不尽的电力资源，电费价格将一降再降，很多因为能源价格上涨带来的问题将会迎刃而解。

中国版“人造小太阳”——全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)。

此外，核裂变反应堆的辐射是β粒子和伽马射线等，它们可以穿透我们的身体，让你患上各种癌症，并破坏你身体内“DNA结构”中的键。而在核聚变反应堆中，只有血管壁会被聚变过程中的高能中子轰击。在最坏的情况下，如果所有封闭的聚变容器保护层都破裂了，中子辐射就会在聚变反应停止的一瞬间结束，因此核聚变反应要比核裂变安全的多。此外，核聚变还有很多好处。首先，可以减轻对太阳能的过度依赖。太阳之所以能够给予地球能量，究其原理是因为太阳的内部在不间断地进行着核聚变反应。地球上资源的产生都需要漫长的过程，而人类发展速度过快，照这样发展下去，地球上的资源早晚有用尽的一天。如果人类掌握了可控核聚变这项技术，就相当于在自己身边人造了一个“小太阳”，不仅能够大幅度减少对太阳的依赖，甚至依靠庞大的能量走出太阳系也并非没有可能。其次，若我们掌握了可控核聚变技术，那我们的社会生活将会发生颠覆性的变化。核聚变是清洁高效的能源，可控核聚变完全普及后会大幅改善和修复地球的生态系统，使工业污染造成的气候变化得到有效改变，热岛效应等一系列温室气体造成的影响将会被逐渐调节至正常状态。此外，可控核聚变会使地球上的能量近乎无限。

可控核聚变的研发

我们怎样才能造出来这样一个“小太阳”呢？实际上，科学家们希望发明一种装置，可以有效控制聚变的过程，让能量持续稳定地输出。目前，世界上可控核聚变反应的核心装置是托卡马克装置。它是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器，最初是由库尔恰托夫研究所的苏联科学家阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。这一装置的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候装置的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。

托卡马克装置内部示意图。

2005年正式确定的国际合作项目“ITER”（即国际热核实验反应堆项目，这个项目从1985年开始），力图建立第一个试验用的聚变反应堆。最初的方案是2010年建成一个实验堆，实现1500兆瓦功率输出，造价100亿美元。但由于各种原因，这个项目一直到了2000年也没有结果，直到2003年，能源危机加剧，各国又重视起来，首先是中国宣布加入了“ITER”计划，欧洲、日本和俄罗斯自然表示欢迎，随后美国宣布重返计划，紧接着，韩国和印度也宣布加入。位于中国合肥的“EAST”项目是目前唯一能给“ITER”提供实验数据的一种装置，此外，“EAST”还是世界上第一个具有主动冷却结构的托卡马克装置，它的第一壁是主动冷却的，目前连接的是一个大型冷却塔，它的冷却水可以保证在长时间运行后将反应产生的热量带走，维持系统的温度平衡。这一方面是为真正实现稳定的受控聚变迈出的重要一步，另一方面也是核聚变工程化的重要标志，冷却塔换成汽轮机是可以发电的。值得一提的是，2022年12月美国能源部宣布了一项重大的核聚变成就——位于加州的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室成功取得了核聚变的突破，这是人类历史上首次取得核聚变的突破。该实验室在最近的一系列实验中，通过激光点火的方式，用192个巨大的激光器，同时向一个金属圆筒发射，将其加热到超过280万摄氏度，产生X射线内爆，加热并压缩氘氚燃料，引发核聚变，成功进行了可控核聚变，并且获得了正能量收益，即聚变产生的能量超过了激光消耗的能量。

可控核聚变的风险

虽然实现可控核聚变对地球、对人类有很多好处，但前路多艰，开发“人工小太阳”还面临着许多挑战。首先是来自环境的挑战。在太阳这样的恒星中，高温和强大的引力自然为聚变环境做好了准备。但在地球上，人类面临的挑战是如何使核燃料变热，并有合适的装置来承载这些原料并维持高温环境。试想一下，将等离子体，包括气态氘、氚离子和原子的混合物，以及氦聚变产物等保持在数百万摄氏度的温度，科学家们很难找到能够承受这么高温度的材料。因此，科学家试图将等离子体保持在聚变容器的强磁场中。与核裂变相比，这种方法很难实现。其次是核聚变原料扩散带来的风险。核聚变原料的获取以及聚变所释放的能量该如何使用是一个值得探讨的问题。不同国家的人对燃料的储备有着不同的目标，有些国家想要通过这些原料制造原子弹，还有些国家的执政方针政策涉及到化石燃料的获取使用，若有谁能率先掌握可控核聚变技术，那无疑是手握时代发展的方向盘。以美国为例，一旦真正掌握可控核聚变技术，那么极有可能在能源问题上大做文章，并以此来为其扩张霸权服务，这将给本就不安宁的国际社会带来更大的风险。综上所述，目前人类所掌握的科技还无法真正创造出一颗完美的“小太阳”，期待在未来的某天，这颗闪耀着光芒的“小太阳”能够早日与人类见面，并以公平合理的方式为人类谋福利。本文载于《世界博览》杂志2023年第3期
责编：南名俊岳
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