可控核聚變又有好消息，人類何時(shí)突破這一魔咒？三大問題懸而未決

作者：甘戍冬（科學(xué)火箭叔）

2023年12月1日，世界最大實(shí)驗(yàn)性核聚變反應(yīng)堆JT-60SA在日本正式點(diǎn)火運(yùn)行。所以朋友們，那個(gè)卡住人類的魔咒——可控核聚變永遠(yuǎn)再等50年——終于就要被解除了嗎！我仔細(xì)看了一下，沒那么簡(jiǎn)單。我們還是需要注意到，新聞標(biāo)題里面的幾個(gè)關(guān)鍵性文字——實(shí)驗(yàn)性。是的，這座由歐盟和日本聯(lián)合建設(shè)的可控核聚變反應(yīng)堆，也還只是一個(gè)實(shí)驗(yàn)性的裝置，它需要完成的，是幫它的大哥哥、那座還在法國建設(shè)的、舉全球之力也舉全球矚目的ITER——國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆計(jì)劃，提供更多先導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和技術(shù)驗(yàn)證支持。本質(zhì)上，它倆就沒啥區(qū)別，都是一種稱之為托卡馬克的可控核聚變裝置......又叫做“甜甜圈”，只是日本剛剛運(yùn)行的甜甜圈是法國計(jì)劃等到2035年才運(yùn)行的甜甜圈的六分之一而已。

所以，到底什么是可控核聚變？什么又是托卡馬克裝置？JT-60SA到底要驗(yàn)證些什么？我們是不是真的還要等上50年才能用上它發(fā)的電？......等等疑問是不是蹭蹭蹭的從腦袋里面冒了出來。好，今天我們的目標(biāo)，就是給你把它們解釋清楚。

先說什么是可控核聚變。一句話解釋就是，模仿太陽內(nèi)部的能量產(chǎn)生方式——通過把兩個(gè)輕元素，通常是氫的兩個(gè)同位素氘和氚，融合成一個(gè)更重的元素，釋放出大量能量的過程。 在這個(gè)過程中，輕元素的原子核被強(qiáng)烈地迫使靠近，以至于它們克服了它們之間的排斥力，進(jìn)而發(fā)生聚變。要實(shí)現(xiàn)可控核聚變，首先要把氘和氚的原子核加熱到極高的溫度，使它們變成一種叫做等離子體的狀態(tài)。等離子體是一種由帶電的原子核和電子組成的氣體，它的溫度可以達(dá)到上億攝氏度，比太陽的核心還要熱。在這樣的溫度下，氘和氚的原子核會(huì)以極快的速度運(yùn)動(dòng)，有時(shí)會(huì)相互碰撞。如果碰撞的力量足夠大，它們就會(huì)結(jié)合成一個(gè)更重的原子核——氦。而在此過程中，會(huì)有一部分的質(zhì)量消失，轉(zhuǎn)化為能量。這個(gè)能量就是核聚變的產(chǎn)物，可以用來發(fā)電或者其他用途。話說，發(fā)電的方式那么多，為什么我們獨(dú)愛核聚變呢？因?yàn)榭偨Y(jié)起來，它有以下幾個(gè)別人不具備的優(yōu)勢(shì)：可控核聚變有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：第一、資源豐富?？煽睾司圩兊闹饕剂鲜菤涞耐凰仉碗埃诘厍虻暮Ｋ泻亢芨?，氚可以通過鋰與中子反應(yīng)產(chǎn)生，鋰也是一種廣泛分布的元素。據(jù)估計(jì)，地球上的海水中的氘，如果全部用于聚變反應(yīng)，釋放出的能量足夠人類使用幾百億年；第二、環(huán)境友好?？煽睾司圩兊姆磻?yīng)產(chǎn)物是無放射性污染的氦，不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體或其他有害物質(zhì)，也不會(huì)產(chǎn)生長壽命的核廢料，基本不污染環(huán)境；第三、安全可靠?？煽睾司圩冃枰獦O高的溫度和壓力才能維持，一旦發(fā)生故障或意外，反應(yīng)就會(huì)自動(dòng)停止，不會(huì)發(fā)生爆炸或熔毀的危險(xiǎn)，也不會(huì)對(duì)周圍造成輻射危害；第四、經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)異?？煽睾司圩兊哪芰枯敵鲞h(yuǎn)遠(yuǎn)大于能量輸入，能量增益因子，也就是Q值，可以達(dá)到10倍以上，即輸入50兆瓦的能量，輸出500兆瓦的能量。這意味著可控核聚變的運(yùn)行成本和維護(hù)費(fèi)用都很低，可以提供廉價(jià)的電力。

但是，以上都是理想，在實(shí)際的可控核聚變反應(yīng)堆里，想要實(shí)現(xiàn)能量的正增益，實(shí)在是太難了。實(shí)際上，JT-60SA要做的，就是幫ITER驗(yàn)證能量正增益的問題。雖然這臺(tái)四層樓高的機(jī)器設(shè)計(jì)可將加熱至2億攝氏度的等離子體保持約100秒，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于以前的大型托卡馬克裝置了。但是，離穩(wěn)定的、持續(xù)的、經(jīng)濟(jì)的讓等離子體運(yùn)行并輸出功率，還是有很長的路要走的。對(duì)了，說到這兒，我就得要解釋一下到底什么是托卡馬克裝置了。它是實(shí)現(xiàn)可控核聚變技術(shù)路徑中的一條，被我們稱之為磁性約束。

托卡馬克裝置長得很像個(gè)甜甜圈，為什么是甜甜圈呢，因?yàn)樗鋵?shí)是一個(gè)四周密布著磁線圈的環(huán)形聚變室。它們可以產(chǎn)生非常強(qiáng)的磁場(chǎng)，將被加熱成溫度遠(yuǎn)超地球上所有耐熱材料極限的高溫等離子束縛其中，讓它們持續(xù)在那兒保持正確的密度和溫度，創(chuàng)造出擠破斥力實(shí)現(xiàn)原子核之間聚合的條件。但它目前有幾大問題需要解決：第一也是最重要的，就是如何讓它保持燃燒。我是可以在一開始靠輸入大量的能量加熱等離子體點(diǎn)燃核聚變，但如果這樣的聚變?cè)谥蟛荒芸孔约旱牧α烤S持下去，還要靠我不斷的往里面繼續(xù)輸入能量，那我這是要干什么呢？只是點(diǎn)火來玩的嗎？顯然不是，這就是我們想要急切解決的問題——能量的正增益。但問題就在于，無論約束等離子體的磁場(chǎng)有多強(qiáng)或形成的有多好，它總會(huì)碰上漏網(wǎng)之魚的。因?yàn)閲@磁場(chǎng)線盤旋的正原子核或離子會(huì)發(fā)生碰撞和散射，最終難免會(huì)漂移出磁約束場(chǎng)地了。而要是漂出去的燃料多了，燃燒不就無法持續(xù)了嗎。唯一已知的解決方案是使反應(yīng)堆更大，這樣散射離子就需要更長的時(shí)間才能到達(dá)等離子體的邊界，因此在此期間還可以發(fā)生更多的聚變，有點(diǎn)簡(jiǎn)單粗暴。所以我們就可以看到，ITER為什么有6層樓高，而JT-60SA也有4層樓高，它們就是為了給等離子體提供更大的包裹空間嘛?？刹贿^，就算是這樣的尺寸，仍然不足以維持等離子體的持續(xù)燃燒并帶來能量，只能算是一個(gè)更大的測(cè)試裝置而已。好，這個(gè)問題還懸而未決，接著呢，第二個(gè)看起來更加實(shí)際的問題來了。就算是我們能持續(xù)點(diǎn)燃里面的核聚變了，那該怎么提取出它所產(chǎn)生的能量呢？哎呀，這又是另外一個(gè)笑話，即便人類科技發(fā)展到了這種地步，咱們還是得要靠燒水來提取其中的能量。托卡馬克裝置使用氘-氚聚變成氦的反應(yīng)產(chǎn)生能量，其中的大部分能量會(huì)以快速、高能中子的形式釋放。中子是個(gè)不帶電荷的電中性粒子，所以不會(huì)加熱等離子體，也不受磁場(chǎng)限制，一旦產(chǎn)生就會(huì)到處亂射。于是，我們就專門為它準(zhǔn)備了厚厚的防護(hù)罩，讓它打在上面，給防護(hù)罩升溫，再用這個(gè)溫度把水蒸發(fā)成水蒸汽，從而為渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力，生產(chǎn)出我們想要的電力了。不過問題是，中子的持續(xù)轟擊使屏蔽材料隨著時(shí)間的推移而退化，并變得非常具有放射性，給拆除、更換和處置都帶來了嚴(yán)重的問題。這個(gè)，我們也沒有想得太清楚，而且看起來，它好像也不是那么清潔了對(duì)不對(duì)。好，第三，核燃料的獲取也是個(gè)問題。目前我們使用的是氘 - 氚聚變反應(yīng)，理由是它們發(fā)生在所有可能的核聚變?nèi)剂系淖畹湍芰繝顟B(tài)和最低等離子體溫度下，因此更容易點(diǎn)燃和保持點(diǎn)燃。雖然理論上氘和氚在地球上都不少，但是，氚這家伙其實(shí)在自然界中并沒有大量存在，它需要在核反應(yīng)堆中制造才行。以今天的生產(chǎn)能力，我們都無法制造足夠的氚來持續(xù)為ITER提供動(dòng)力，就更別說規(guī)模更大、數(shù)量更多的，需要實(shí)際發(fā)電的可控核聚變電站了。

所以，雖然這次JT-60SA反應(yīng)堆正式點(diǎn)火運(yùn)行，但咱們離解除可控核聚變魔咒，還有很長的路要走。

好，說完了在日本的JT-60SA，最后咱們?cè)賮砜纯词澜缟掀渌麌以诳煽睾司圩冎飞献叩娜绾伟?。先說咱們中國的，我們目前有全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置EAST和可控核聚變研究裝置“中國環(huán)流器三號(hào)”。EAST是世界上第一個(gè)建成并運(yùn)行的全超導(dǎo)非圓截面核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，曾經(jīng)創(chuàng)造了在1.2億攝氏度下運(yùn)行101秒的世界紀(jì)錄。環(huán)流器三號(hào)是我國自主設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行的最先進(jìn)的核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，能夠產(chǎn)生1.5億攝氏度的高溫等離子體。接著是美國，它有美國國家點(diǎn)火裝置NIF和斯坦福線性加速器中心的LCLS-II X射線激光器。NIF是世界上最大的激光裝置，采用慣性約束的方法實(shí)現(xiàn)核聚變，曾經(jīng)在2022年1月實(shí)現(xiàn)了一種稱為燃燒等離子體的現(xiàn)象，即聚變?nèi)剂献孕休敵瞿芰砍^了輸入熱量，這是通往可控核聚變的一個(gè)關(guān)鍵的里程碑。LCLS-II是世界上最亮的X射線激光器，能夠觀察和控制核聚變等離子體的微觀結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)。然后是日本，除了JT-60SA它還有國際核聚變材料輻照實(shí)驗(yàn)裝置IFMIF。這也是一個(gè)國際合作項(xiàng)目，旨在研究和開發(fā)適合核聚變反應(yīng)堆的材料，利用高能中子束模擬核聚變反應(yīng)的輻照環(huán)境。

當(dāng)然，除了以上這些主要的可控核聚變研究項(xiàng)目，世界上還有一些其他國家和組織也在進(jìn)行相關(guān)的研究，例如德國、英國、法國、韓國、印度、俄羅斯、巴基斯坦、朝鮮、以色列等?？梢钥吹?，可控核聚變是一項(xiàng)具有巨大潛力和挑戰(zhàn)的科學(xué)探索，需要全球的合作和創(chuàng)新才有可能實(shí)現(xiàn)，希望它真的不要讓我們?cè)俚壬?0年了。

本文為科普中國·星空計(jì)劃扶持作品

作者：甘戍冬

審核：孫志斌 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究員

出品：中國科協(xié)科普部

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