“核聚變”的魅力何在?

在全球傳統(tǒng)能源日漸緊缺的形勢(shì)下，人類一直都在探索新型能源的開發(fā)和使用，包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、地質(zhì)能、生物能、核能等，本文的主角——“核聚變”，是產(chǎn)生核能的一種方式，也是迄今為止，最高級(jí)也最難以“駕馭”的能源來(lái)源。

核能也叫原子能，通過(guò)核裂變、核聚變和核衰變?nèi)N形式釋放能量，除了核衰變是自然狀態(tài)下緩慢發(fā)生，裂變和聚變的核反應(yīng)形式都異常激烈。

眾所周知，新中國(guó)最偉大的科技成就，就是成功試爆了原子彈和氫彈。原子彈應(yīng)用的就是核裂變?cè)?比原子彈威力更大的氫彈，則利用核聚變來(lái)發(fā)揮作用。

核聚變比核裂變放出的能量更大。太陽(yáng)內(nèi)部連續(xù)進(jìn)行氫核聚變過(guò)程，它的光和熱就是由核聚變產(chǎn)生的。相比核裂變，核聚變幾乎不會(huì)帶來(lái)放射性污染等環(huán)境問(wèn)題，而且其原料可直接取自海水，來(lái)源幾乎取之不盡，是理想的能源方式，也是備受青睞和追捧的重要原因。

國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃，簡(jiǎn)稱“ITER計(jì)劃”，是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國(guó)際科研合作項(xiàng)目之一。該計(jì)劃倡議于1985年，工程設(shè)計(jì)于2001年完成，此后經(jīng)5年談判，包括中國(guó)在內(nèi)的七個(gè)國(guó)家于2006年正式簽署聯(lián)合實(shí)施協(xié)定，正式啟動(dòng)歷時(shí)將達(dá)35年的ITER計(jì)劃，2013年6月，主裝置“托卡馬克”綜合體建設(shè)工作在法國(guó)開始，ITER項(xiàng)目正進(jìn)入全面建設(shè)階段。

ITER計(jì)劃的實(shí)施結(jié)果將決定人類能否迅速地、大規(guī)模地使用聚變能，從而可能影響人類從根本上解決能源問(wèn)題的進(jìn)程。

人類還不能“控制”它!

核裂變?cè)幽艹吮挥米鲬?zhàn)爭(zhēng)武器，更多的是被人類和平利用，如建造核電站發(fā)電等，但利用聚變能可沒那么容易。

到目前為止，雖然人類已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)不可控核聚變，如氫彈爆炸，但要想有效利用它，必須能“控制”核聚變的速度和規(guī)模，實(shí)現(xiàn)持續(xù)、平穩(wěn)的能量輸出。這也成為人類掌握聚變核能源道路上的最大掣肘。

用什么才能“控制”住核聚變反應(yīng)?通俗地說(shuō)，能點(diǎn)燃燃料，能約束聚變，能輸出能量。問(wèn)題來(lái)了——點(diǎn)火需要瞬間超高溫度和壓力(想想太陽(yáng)內(nèi)部熱核反應(yīng)的條件)，約束聚變的“容器”只能用激光慣性約束和磁場(chǎng)約束(任何地球物質(zhì)做的容器都承受不住超高溫高壓)。

激光點(diǎn)火時(shí)間必須控制在十億分之一秒，才能引起燃料內(nèi)爆壓縮產(chǎn)生聚變能量。2013年9月，美國(guó)核聚變國(guó)家點(diǎn)火裝置(NIF)宣布，首次實(shí)現(xiàn)燃料靶點(diǎn)輸出能量超出輸入能量。中國(guó)的“神光”高功率激光打靶裝置，使我國(guó)成為繼美國(guó)之后世界上第二個(gè)具備獨(dú)立研究和建設(shè)新一代高功率激光驅(qū)動(dòng)器能力的國(guó)家。

基于磁約束的ITER計(jì)劃被寄予厚望，該“人造太陽(yáng)”工程的核心裝置叫做“托卡馬克”(TOKAMAK)，名字來(lái)源于環(huán)形、真空室、磁、線圈的英文，由前蘇聯(lián)科學(xué)家阿齊莫維齊等人在上世紀(jì)50年代發(fā)明。裝置中央是個(gè)環(huán)形真空室，外面纏繞著線圈。通電時(shí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生巨大螺旋型磁場(chǎng)，將等離子體加熱到超高溫度，以促成核聚變。中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所的EAST托克馬克，近年來(lái)取得了很高的成就。本文的新聞主角也都是使用這種約束方式。

遭“質(zhì)疑”且行且珍惜

從理論上來(lái)講，磁約束核聚變的工作原理已經(jīng)清楚了，從實(shí)際操作來(lái)看，要想真正獲取核聚變能，還面臨大量物理和工程難題。

而洛克希德·馬丁公司宣布，設(shè)計(jì)的磁約束密集型核聚變裝置，要想把尺寸控制在能放在一輛卡車上的大小(7×10英尺)，且宣稱在五年內(nèi)造出原型，恐怕并非說(shuō)起來(lái)那么簡(jiǎn)單。即便是積累了幾十年的能源研究經(jīng)驗(yàn)，即便是希望用來(lái)替換軍艦和飛機(jī)上的核裂變反應(yīng)堆，該公司宣稱的這種方案，在業(yè)界看來(lái)還僅僅停留在“紙上談兵”階段。

據(jù)華盛頓郵報(bào)報(bào)道，可再生能源和氣候策略研究院院長(zhǎng)喬·吉爾默說(shuō)：“當(dāng)然，我非常希望核聚變作為世界能源大家族的一員盡快發(fā)揮作用，但是，這個(gè)宣告距離原型的誕生還有很長(zhǎng)的路程，更別說(shuō)建造成穩(wěn)定的商業(yè)化能源提供設(shè)備了。”

墨爾本大學(xué)未來(lái)能源研究團(tuán)隊(duì)首席科學(xué)家羅杰·達(dá)格威利則說(shuō)：“核聚變要求非常高的溫度和壓力，這是最關(guān)鍵的挑戰(zhàn)，很多科學(xué)家都已經(jīng)在這上面奮斗了很長(zhǎng)時(shí)間，所以聽到這種消息，我還不會(huì)太興奮。”

另?yè)?jù)報(bào)道，同樣在上周，華盛頓大學(xué)的工程師們也在俄羅斯彼得堡國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)的聚變能學(xué)術(shù)會(huì)議上宣稱，其設(shè)計(jì)的概念核聚變反應(yīng)器，如果擴(kuò)展到大型電廠規(guī)模時(shí)，其經(jīng)濟(jì)成本將低于產(chǎn)生同樣電量的燃煤電廠的成本。