可控核聚變是未來能源的選擇

在全球氣候變化的時代，以及對人類長期依賴化石能源的擔(dān)憂，許多人認(rèn)為解決方案在于替代能源，找到一個化石能源的替代能源，可以幫助我們減緩氣候問題，因此核裂變能源應(yīng)運而生。現(xiàn)在我們所有的核電站都是以核裂變反應(yīng)為基礎(chǔ)的，也就是以可控的方式將重原子分裂成較輕的結(jié)構(gòu)。盡管有了化石能源的替代能源，但是核電站或者說核裂變有很多安全問題，比如說燃料是放射性的，廢料的處理也一直是一個問題，另外核災(zāi)難事故也表明核電站造成的損失很高……

放射性核廢料桶

核聚變更清潔，燃料也有更便宜，更豐富的來源，科學(xué)家可以從水中提取一種叫做氘的氫同位素，而這個過程中只有氦作為廢物產(chǎn)生。如果核聚變技術(shù)可以實現(xiàn)并發(fā)揮其全部潛能，這將是一種無休止的，無排放的能源。有很多科幻作品都以核聚變?yōu)橹饕茉矗司圩兛梢哉f是未來能源的一個道路。不過，盡管科學(xué)家們進(jìn)行了數(shù)十年的工作，大規(guī)模商用核聚變?nèi)匀皇且粋€夢想。

核電站

核聚變很難大范圍使用的原因

這不是因為不可能實現(xiàn)，而是按照高能粒子物理標(biāo)準(zhǔn)無法實現(xiàn)甚至很難實現(xiàn)持續(xù)的聚變反應(yīng)，也就是無法一直持續(xù)其過程，也可以理解為產(chǎn)生的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于啟動和維持該過程所需的能量。說到聚變反應(yīng)，我們大家一定都知道這個例子——氫彈，氫彈的威力大約是普通原子彈的1000倍。氫彈聚變反應(yīng)所需的氫同位素被放置在普通裂變彈周圍。裂變炸彈爆炸的釋放可以為聚變過程提供活化能（引發(fā)或開始反應(yīng)所必需的能量）所需的能量。

小型氫彈爆炸實驗

以核聚變能源角度來說，這不是什么新的概念，在我們的太陽上無時無刻不在發(fā)生核聚變，它就在我們的眼前，太陽通過氫原子核融合成氦來產(chǎn)生絕大部分能量。當(dāng)原子核融合時，它們會產(chǎn)生一個較重的原子核，并在此過程中產(chǎn)生剩余能量。

那么為什么我們擁有裂變能力，卻沒有聚變能力呢？答案很簡單，但是這令許多科學(xué)家很頭痛：要使聚變發(fā)生在地球上，設(shè)施至少需要1億攝氏度的溫度，是太陽核心溫度的六倍。1億攝氏度的高溫難以長時間維持，等離子體不可控，源材料不耐久等等問題都是核聚變的瓶頸。

太陽，天然的核聚變“設(shè)施”

說到這里有了另外一個問題，為什么太陽中心不斷核聚變的溫度比地球核聚變溫度要低很多呢？為什么地球進(jìn)行核聚變反應(yīng)就需要1億攝氏度呢？這是因為當(dāng)前在地球上沒有太陽中心的高壓，而如果沒有高壓環(huán)境就需要極高的溫度才能有核聚變的過程。換句話說，太陽核心的壓力很大，所以1500萬攝氏度就足以產(chǎn)生核聚變反應(yīng)了。

原子是由中子和質(zhì)子組成的原子核和電子組成：質(zhì)子帶正電，而中子不帶電。原子核是原子的帶正電核心，而繞原子核運動的電子是帶負(fù)電的。如果整個原子像足球場一樣大，則原子核的大小將不超過場中央的一粒米。

這個模型為我們展示了通用核聚變計劃用來壓縮等離子體的設(shè)施

核聚變顧名思義就是“聚”字，也就是說原子核之間要靠得夠近，夠近是多近呢？大約是原子尺度的十萬分之一。質(zhì)子帶正電，而中子不帶電，所以質(zhì)子和質(zhì)子之間具有很大的排斥力，在太陽中心有極大的高壓，壓力越高，所需溫度就越低。所以這就是地球上核聚變實驗最低要達(dá)到1億攝氏度的原因，也是目前核聚變難以維持長久的一個重要原因。

桑迪亞實驗室中可以進(jìn)行數(shù)百萬安培的脈沖發(fā)生器核聚變設(shè)施

所以在之后出現(xiàn)了冷聚變這個術(shù)語，冷聚變也可被稱為電子縛態(tài)核聚變，科學(xué)家希望核聚變反應(yīng)可以在相對較低的溫度下發(fā)生。一旦該理論目標(biāo)被實現(xiàn)，這個理論就可以成為核聚變的核心理論。只可惜冷聚變這個理論在1980年代后期就被淘汰了，當(dāng)時電化學(xué)學(xué)家Stanley Pons和Martin Fleischmann報告說實驗產(chǎn)生了過多的熱量以及很多未知的核副產(chǎn)物。

總而言之，核聚變是在高壓力下讓兩個原子核碰撞并將它們?nèi)诤铣筛蟮脑雍说倪^程，這一過程進(jìn)行的時候會釋放出大量能量。在地球上，想要進(jìn)行核聚變實驗，想要實現(xiàn)如此高壓力高溫度的環(huán)境就需要說到托卡馬克，托卡馬克是現(xiàn)代科學(xué)家實現(xiàn)核聚變的一種方式，那么托卡馬克到底如何進(jìn)行核聚變實驗?zāi)兀?/p>

世界托卡馬克介紹——地球上的核聚變實驗設(shè)施

地球上人造的核聚變反應(yīng)發(fā)生在托卡馬克之中，這是一個甜甜圈形的設(shè)施。研究人員需要在其中將氣體泵入真空室，電流流過托卡馬克中心。因為氣體帶電，所以形成了等離子體，然后通過磁場（由巨大的電磁線圈產(chǎn)生）將等離子體鎖定在真空室內(nèi)，這是為了模擬太陽核心的壓力。無線電和微波被發(fā)射到等離子體中以提高其溫度，在大約一億度的溫度下就會發(fā)生聚變。

JET歐洲聯(lián)合托卡馬克核聚變設(shè)施

除了加熱反應(yīng)室所需的高昂電費以外，剛才我們說到，核聚變持續(xù)反應(yīng)的主要障礙是找到一種能夠承受這么大熱量的材料。另外，其實核聚變反應(yīng)的這些磁場與某些科幻飛船翹曲動力核心上看到的磁場沒有什么不同，都是高熱高壓的產(chǎn)物。

近期核聚變界已經(jīng)確定了主流的可控核聚變項目，包括聚變物理學(xué)研究和對反應(yīng)堆可操作性的綜合分析，另一個是暴露于強中子通量的聚變材料的性質(zhì)。一般而言，這些研發(fā)有助于更好地確定商業(yè)反應(yīng)堆和聚變電站FPP的運行任務(wù)和要求。

圣地亞哥的DIII-D托卡馬克核聚變設(shè)施內(nèi)部，該聚變反應(yīng)堆圓環(huán)形腔室內(nèi)覆蓋有石墨，這有助于承受極高的熱量，內(nèi)部還有一個人說明了該核聚變設(shè)施的尺寸

要確定反應(yīng)堆的每個參數(shù)和特性并不是一件容易的事。首先科學(xué)家們多次定義了托卡馬克的設(shè)計原理和結(jié)構(gòu)，其關(guān)鍵系統(tǒng)有MS系統(tǒng)，包括環(huán)形和多極場線圈，中央螺線管，有源控制線圈和校正線圈；帶有容器內(nèi)部件和端口的真空容器；等離子附加熱和電流驅(qū)動系統(tǒng)；輻射屏蔽層；等離子體位置和形狀控制系統(tǒng)；真空維持系統(tǒng)；診斷和控制系統(tǒng)和電源系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)。

歐洲托卡馬克JET的內(nèi)壁安裝了鈹和鎢磚，這些材料將用于ITER的等離子表面元件，其實這是讓托卡馬克設(shè)施內(nèi)部可以長時間反應(yīng)的一次材料嘗試

位于庫勒姆聚變能源中心CCFE的歐洲托卡馬克設(shè)施JET就是純粹的實驗性托卡馬克反應(yīng)堆。JET建造于1977年，是實現(xiàn)核聚變實驗第一步?，F(xiàn)在歐洲正在建造ITER新托卡馬克設(shè)施，ITER的體積將比JET大三倍，重可達(dá)23000噸，也就是大約115頭藍(lán)鯨的重量。

法國核聚變ITER托卡馬克運行渲染圖

聚變反應(yīng)堆是巨大的機器，是機器就需要管理。JET的反應(yīng)堆是一棟大房子的大小，被容納在一個飛機機庫大小的建筑物內(nèi)。這些反應(yīng)堆非常復(fù)雜，管理JET就需要超過2500個控制柜。如果一個隔間發(fā)生故障，則核聚變過程就無法進(jìn)行。另外核聚變測試還必須避免在城市用電高峰運行，以避免對電網(wǎng)造成超負(fù)荷損壞。

一次核聚變實驗的過程非常復(fù)雜，首先啟動JET就需要16周的準(zhǔn)備時間，啟動之后就不能停機，因為停機既浪費時間又浪費預(yù)算，另外如果停機重新啟動也需要長時間的泄漏測試，所以科學(xué)家們進(jìn)行一次實驗都必須仔細(xì)再仔細(xì)。

這個建筑中會放置國際熱核聚變ITER托卡馬克設(shè)施

除此之外聚變反應(yīng)過程中反應(yīng)堆部件上會有巨大的磨損，這是因為除了聚變所需的巨大熱量和壓力外，等離子體還會快速射向中子，逐漸的這些中子會嵌入到包裹反應(yīng)堆堆芯的保護(hù)結(jié)構(gòu)中。隨著時間的流逝，這些反應(yīng)會導(dǎo)致反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料的加速降解。

自1983年以來在英國運營的歐洲聯(lián)合設(shè)施JET是核聚變實驗邁出的第一步。由40多個歐洲實驗室共同使用的JET，在1991年實現(xiàn)了世界上第一個受控釋放核聚變的過程。

JET核聚變設(shè)施

此后，全球核聚變?nèi)〉昧朔€(wěn)步進(jìn)展。法國的Tore Supra托卡馬克擁有所有托卡馬克設(shè)施運行持續(xù)時間最長的記錄。日本JT-60托卡馬克達(dá)到了設(shè)施的“三高”記錄，包括最高密度，最高溫度和最大限制時間。美國的托卡馬克設(shè)施也有平均非常好的成績。

說到托卡馬克核聚變實驗設(shè)施，我國也擁有世界先進(jìn)的托卡馬克設(shè)施，我國的托卡馬克實驗設(shè)施離子溫度也達(dá)到了1億攝氏度。所有實驗參數(shù)是之前設(shè)計理論的兩倍，而且我國環(huán)流器二號M裝置還采用了更先進(jìn)的磁場控制結(jié)構(gòu)與等離子控制方式，也對設(shè)施的材料進(jìn)行了新的嘗試。

我國的托卡馬克核聚變設(shè)施，新一代HL-2M托卡馬克設(shè)施

未來核聚變領(lǐng)域的實驗道路，令人期待

所有的實驗并不是一個人獨自努力工作就可以完成的，是世界科學(xué)家共同努力的結(jié)果，全世界的核聚變托卡馬克設(shè)施在2018年已經(jīng)重新調(diào)整了其科學(xué)程序的方向或修改了其技術(shù)特性。世界各國正在組建全球核聚變研究聯(lián)盟，以分開一個一個托卡馬克測試變?yōu)楣餐腺Y研究。另外現(xiàn)在的科學(xué)家正在研究等離子操作，等離子與等離子壁的相互作用，材料測試和最佳功率提取方法等先進(jìn)核聚變模式。

未來的核聚變渲染圖

可控核聚變真正實用還需要一定時間，但是這就是我們對未來科學(xué)的追求，對真正無害可持續(xù)能源的追求，對未來地球環(huán)境的追求。我們在發(fā)展科學(xué)的同時也要注意地球環(huán)境，利用科學(xué)造福地球，也許這是人類科學(xué)家研究托卡馬克核聚變的初心吧。無限能源，無污染能源，低成本能源，科學(xué)在進(jìn)步，科學(xué)家在行動。

#科學(xué)知多少#