國防科普加油站（42） 可控核聚變：“無限的能源”夢想

2022年2月9日，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(shí)驗(yàn)中，歐洲聯(lián)合核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（JET）在5秒內(nèi)產(chǎn)生了59兆焦耳的持續(xù)能量，大約能夠?yàn)橐粋€普通家庭提供一天的電力，創(chuàng)造了核聚變能量新的世界紀(jì)錄。有關(guān)專家認(rèn)為，該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明人類獲得這一無限的清潔能源是可能的。

圖1 歐洲聯(lián)合核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（JET）

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(shí)現(xiàn)安全、持續(xù)、平穩(wěn)能量輸出的核聚變反應(yīng)，具有原料充足、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、安全可靠、無污染等優(yōu)勢。在能源需求量日益增加、能源短缺日趨嚴(yán)重的今天，通過可控核聚變技術(shù)獲得清潔而無限的能源，將為人類解決能源問題提供一種極具潛力的途徑，盡管技術(shù)難度極高，目前尚處實(shí)驗(yàn)階段，卻被科學(xué)家寄予厚望，被視為“21世紀(jì)人類最狂野的能源夢想”。

從核裂變到核聚變，新的能源曙光初現(xiàn)

人類自進(jìn)入工業(yè)社會以來，以化石燃料為核心的能源不斷應(yīng)用于人們的生產(chǎn)生活中，助推著工業(yè)文明發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步。然而，隨著需求的不斷擴(kuò)大，煤炭、石油、天然氣等傳統(tǒng)能源的儲量正在不可逆轉(zhuǎn)地減少，其燃燒產(chǎn)生的粉塵、氮氧化物、二氧化硫等空氣污染物，對人類的健康與生存造成嚴(yán)重影響。

尋找新能源特別是清潔能源一直是科學(xué)家努力探索與追求的目標(biāo)。20世紀(jì)30年代末，德國著名化學(xué)家奧托·哈恩和他的助手在居里夫人的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)了核裂變現(xiàn)象。即當(dāng)中子撞擊鈾原子核時，一個鈾核吸收一個中子可以分裂成兩個較輕的原子核，同時產(chǎn)生2-3個新的中子，在這個過程中，質(zhì)量會發(fā)生虧損而釋放出巨大能量。此后，以美籍意大利著名物理學(xué)家恩利克·費(fèi)米為首的一批科學(xué)家，根據(jù)奧托·哈恩發(fā)現(xiàn)的核裂變原理，在美國建成了世界上第一座“人工核反應(yīng)堆”。研究表明，1克鈾-235充分核裂變后，釋放出來的能量相當(dāng)于2.8噸標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒釋放的能量。如果將核裂變用于發(fā)電，那么，它比煤炭消耗要小得多。但問題是核裂變反應(yīng)所需的裂變?nèi)剂蟽α坑邢?，產(chǎn)生的核廢料存在放射性，難以處理，一旦泄漏，將會對生態(tài)環(huán)境造成難以逆轉(zhuǎn)的影響，因此，將核裂變用于發(fā)電并不可行。

1939年，美國物理學(xué)家貝特通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，如果把1個氘原子核經(jīng)過加速器加速后與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，同時還能釋放出17.6兆電子伏的能量，這一被稱“核聚變”的過程，不僅揭示了太陽持續(xù)45億年發(fā)光發(fā)熱的原理，更讓人們看到了核聚變可以釋放巨大能量的潛力。隨著現(xiàn)代科技的不斷進(jìn)步，在科學(xué)家通過不懈探索和大量實(shí)驗(yàn)，逐步在可控核聚變技術(shù)研究方面不斷取得突破性進(jìn)展，圍繞可控核聚變的研究與應(yīng)用，開啟了一場新的科技競爭。雖然離實(shí)際應(yīng)用還有很長的路要走，但新型能源的曙光已初見端倪，給人們帶來了無限的遐想。

實(shí)現(xiàn)可控難度極大，一旦突破優(yōu)勢驚人

核聚變的原理并不復(fù)雜，但相比核裂變，它對聚變條件的要求卻相當(dāng)苛刻，不僅需要有上億度的高溫條件，而且還要求等離子體密度足夠大、在有限空間里被約束時間足夠長。實(shí)現(xiàn)可控、持續(xù)核聚變“難于上青天”。

苛刻的聚變條件成為阻擋可控核聚變技術(shù)進(jìn)步的“攔路虎”，但困難從不是科學(xué)家停止探索的理由。20世紀(jì)初，一種名為“托卡馬克”的聚變裝置由前蘇聯(lián)科學(xué)家研制出來了，此后，科學(xué)家們依托該裝置不斷地實(shí)驗(yàn)研究與應(yīng)用開發(fā)，成功獲得了越來越高聚變功率輸出，證實(shí)了使用磁約束方式獲得聚變能源輸出的科學(xué)可行性，為可控核聚變技術(shù)的突破打開了一扇大門。

1960年，物理學(xué)家將愛因斯坦的“受激輻射”理論變成了現(xiàn)實(shí)，激光出現(xiàn)了，這一重大發(fā)明有力推動了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，也使可控核聚變研究有了一種新手段――慣性約束聚變，即通過激光驅(qū)動慣性約束核聚變把直徑為毫米量級的聚變?nèi)剂闲∏蚓鶆蚣訜岬?億度以上，密度壓縮到幾百倍固體密度。1972年，美國科學(xué)家納科爾斯等人提出了球型內(nèi)爆等熵壓縮的理論，使慣性約束核聚變得到快速發(fā)展，美國國家點(diǎn)火裝置（NIF）等研究機(jī)構(gòu)根據(jù)這一理論，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)爆壓縮的核聚變。

圖2 世界上最大的激光驅(qū)動慣性約束聚變裝置—美國國家點(diǎn)火裝置（NIF）

作為一項(xiàng)顛覆性能源獲取技術(shù)，可控核聚變被認(rèn)為是第四次工業(yè)革命的突破口，使得世界上許多發(fā)達(dá)國家趨之若鶩。盡管還有許多核心關(guān)鍵技術(shù)需要突破，但它在徹底解決能源問題的獨(dú)特優(yōu)勢已經(jīng)顯現(xiàn)了出來。

聚變原料充足。在自然界中，氫的同位素“氘”和“氚”是最容易實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)的。作為核聚變原料，氘在地球上的含量相當(dāng)豐富，僅海水中的含氘總量就多達(dá)40萬億噸，如果把海水中的氘全部用于核聚變反應(yīng)，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(yīng)制造，海水中含有大量的鋰。

反應(yīng)安全可靠。由于核聚變堆可設(shè)計(jì)次臨界運(yùn)行，在聚變反應(yīng)高達(dá)上億度的超高溫條件下，如果溫度達(dá)不到反應(yīng)條件或某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，反應(yīng)就會自動終止，而不會產(chǎn)生其他破壞性的影響?？茖W(xué)家通過實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，聚變反應(yīng)只能在這種極端條件下發(fā)生，因此不可能出現(xiàn)“失控”鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。此外，核聚變反應(yīng)依賴燃料的連續(xù)輸入，一旦終止，核聚變反應(yīng)幾秒內(nèi)就停止了，因此該過程本質(zhì)上是安全的。

生產(chǎn)應(yīng)用無污染?？茖W(xué)家在長期的研究與實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)證明，在氘氚核聚變過程中主要產(chǎn)生氦，而氦沒有污染性，因此它不會產(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。

“萌芽”中的高技術(shù)，軍事領(lǐng)域的“潛力股”

可控核聚變技術(shù)的研究經(jīng)歷了漫長的發(fā)展歷程，目前仍處于“萌芽”階段，盡管距離實(shí)際應(yīng)用還有一些距離，但西方發(fā)達(dá)國家已開始超前謀劃布局，以便搶占新的科技制高點(diǎn)，他們認(rèn)為，可控核聚變作為一種新能源，在國防和軍事領(lǐng)域同樣具有無限的應(yīng)用前景。

提升武器裝備動力性能。大型軍用運(yùn)輸機(jī)是現(xiàn)代戰(zhàn)場上的重要戰(zhàn)略裝備，具有起飛重量大、航程遠(yuǎn)等特點(diǎn)，未來如果可將可控核聚變裝置實(shí)現(xiàn)長周期穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，解決其對點(diǎn)火約束條件與材料研制的技術(shù)瓶頸，并實(shí)現(xiàn)小型化，則可運(yùn)用在大型運(yùn)輸機(jī)的核能發(fā)動機(jī)上，在機(jī)身氣動與結(jié)構(gòu)不變的情況下，將提高推力載荷，允許更大的起飛質(zhì)量，縮短起飛距離，極大提高大型軍用運(yùn)輸機(jī)的航程、運(yùn)載量。

實(shí)現(xiàn)全電化作戰(zhàn)?？煽睾司圩兗夹g(shù)作為一項(xiàng)潛力巨大的前沿顛覆性技術(shù)，一旦成熟并實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)堆小型化，將為實(shí)現(xiàn)軍隊(duì)武器裝備全電化注入強(qiáng)大動力。與傳統(tǒng)武器裝備相比，全電化武器裝備具備更強(qiáng)的自持能力，尤其是在全電化無人作戰(zhàn)裝備方面，其可長時間部署于戰(zhàn)場，持續(xù)發(fā)揮效能。全電化作戰(zhàn)作為信息化條件下的一種重要作戰(zhàn)模式，以激光、電磁、脈沖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?nèi)剂侠寐矢?，避免了?zhàn)場對油料的前送和補(bǔ)給壓力，通過給聚變反應(yīng)堆對武器裝備采用接觸式或者直接遠(yuǎn)程充電，后勤保障質(zhì)效將得到大幅提升。

助力星際航行。自古以來，人類就對外太空的神秘充滿好奇。如今，人類已有飛往太空的能力，但現(xiàn)有以化學(xué)能為動力的火箭發(fā)動機(jī)，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(jì)算，飛往已知距離最近的處于宜居帶內(nèi)的系外行星，需要6萬年時間。未來如果將可控核聚變技術(shù)應(yīng)用于航天領(lǐng)域，將小型聚變反應(yīng)堆應(yīng)用到火箭發(fā)動機(jī)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)飛行能力則可得到極大提升，探索外太空奧秘、實(shí)現(xiàn)星際航行將不再存在能源問題，人類開啟星際探索之旅將由夢想變成未來的現(xiàn)實(shí)。（作者：王握文、任永存、李杭橙 來源：國防科技大學(xué)科普中國共建基地）