最近，隨著我國新一代人造太陽“中國環(huán)流三號”取得重大科研進展，以及一些與核技術相關的事件發(fā)生，又有不少人關注起了人類的“終極能源”技術——可控核聚變。

許多人好奇，為什么說核聚變是人類的“終極能源”技術？核聚變的發(fā)展歷史是什么樣的？可控核聚變到底為什么“難控”？核聚變要實現(xiàn)到什么程度，才能真正解決能源問題？下面就讓我們來聊聊這些問題。

庫茲卡的媽媽

1960 年聯(lián)合國代表大會上，赫魯曉夫向美國承諾，要讓美國人看看“庫茲卡的媽媽”，1961 年 10 月 30 日，美國人看見了。這一天，美國地震調查局發(fā)現(xiàn)，在新地島附近，發(fā)生了一場里氏 5 級左右的地震。但很快，美國的一架偵察機發(fā)現(xiàn)，這不是什么地震，正是“庫茲卡的媽媽”。

“庫茲卡的媽媽”是蘇聯(lián)的俗語，就像中文的“給你點顏色看看”。這次，蘇聯(lián)人想讓美國人見識的，是炸彈 AN602，所以這枚炸彈在蘇聯(lián)就被戲稱為“庫茲卡的媽媽”，而在西方它被稱作“沙皇炸彈”。

圖片來源：Wikipedia

蘇聯(lián)原計劃的“庫茲卡的媽媽”是一枚 1 億噸 TNT 當量的超級核彈。但當時 1 億噸級核彈的設計方案里，可能會引起比較大范圍的放射性沉降。另外，這個量級的炸彈在投彈后，飛行員不可能有足夠的時間逃離爆炸現(xiàn)場，基本是有去無回。所以蘇聯(lián)方面修改了炸彈設計，把爆炸當量削減了一半。

美國人見識到的，正是削弱版的“庫茲卡的媽媽”。但即便是削弱版，它也是人類歷史上威力最大的炸彈，它的爆炸當量是 5000 萬噸，是“小男孩”原子彈的 3800 倍，是二戰(zhàn)里所有常規(guī)炸彈的總能量的 10 倍。

“庫茲卡的媽媽”爆炸的時候，產(chǎn)生了直徑堪比珠穆朗瑪峰高度的大火球（直徑 8 千米），在 1000 千米外都能看見核爆的閃光。爆炸產(chǎn)生了一朵巨型蘑菇云，高度接近珠穆朗瑪峰的 8 倍（67 千米高），蘑菇頭部分寬 97 千米。之所以有這樣的威力，是因為它利用了另一種原子核反應產(chǎn)生的能量——核聚變能。

圖片來源：Wikipedia

什么是核聚變？

核聚變是兩個比較輕原子的原子核融合成一個較重原子核。這個過程也會釋放出巨大的能量。同樣重量的核聚變燃料（一般是氫的同位素氘、氚）能夠產(chǎn)生核裂變 4 倍的能量，比燒石油或煤炭高 400 萬倍。[1]

太陽的能量就是核聚變產(chǎn)生的。圖片來源：Wikipedia

但核聚變并不容易發(fā)生。在說原子結構的時候我們提到過，原子核都是帶正電的，兩個原子核想要碰撞融合，必須克服斥力，讓它們的原子核靠得足夠近。這就需要提供超高溫、超高壓，把大量原子核壓在一塊，增加它們融合的機會。

這種條件在宇宙里并不難找，比如太陽和其他恒星內部，巨大的壓力和高溫能夠維持核聚變反應。但在地球表面，想創(chuàng)造這樣的條件并不容易。

用原子彈引發(fā)核聚變

在原子彈爆炸的時候，原子彈中心能夠產(chǎn)生上千萬度的高溫，以及數(shù)十億個大氣壓的壓力。所以，人們自然會想到，在原子彈的核心旁邊放上核聚變材料，利用原子彈爆炸時候的能量，也許能引發(fā)核聚變。

1951 年 5 月，一枚叫“喬治”的實驗彈被推上了試驗臺，在原子彈核心，除了用來引發(fā)核裂變的材料之外，還有液態(tài)氘?？茖W家們希望通過它試驗原子彈能不能引發(fā)核聚變。結果，它發(fā)出了遠超過原子彈的爆炸威力，由此人們確認了，用原子彈引發(fā)核聚變是可行的。

喬治爆炸時的景象，圖片來源：Wikipedia

因為最常使用的核聚變反應來自氫同位素氘和氚的聚變反應，因此，這類核聚變武器又被稱為氫彈。雖然氫彈是利用了核聚變，但它是不受控制的核聚變，能夠作為武器，但不能作為能源來使用。想要把它用作能源，同樣需要“馴服”這股強大的能量。

可控核聚變

核聚變只有在非常極端的條件下才能發(fā)生，因此想要“馴服”這股能量極其困難。主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

首先，利用核聚變發(fā)電的條件太苛刻了。根據(jù)費米的計算，想利用核聚變發(fā)電，等離子體的溫度要被加熱到大約 5000 萬攝氏度以上[2]。

可在地球的自然環(huán)境里，不存在這樣的高溫環(huán)境。當然了，科學家們能夠利用技術手段創(chuàng)造出這樣的高溫環(huán)境，比如通過電場、粒子束、無線電波振蕩（類似微波爐的原理）、磁振蕩加熱等等。但創(chuàng)造這樣的環(huán)境，一方面需要消耗大量的能量。另一方面，會帶來一個問題，沒有任何物質能夠盛放被加熱后的等離子體。

目前已知的熔點最高的物質是碳化鉭鉿（Ta4HfC5），它的熔點是 4215 攝氏度。這個熔點和被加熱后的等離子體相比，實在是差太多了。為了解決這個問題，目前最成熟的方法是用托克馬克裝置來約束等離子體，這也是目前最有希望成為核聚變反應堆的容器。

托克馬克裝置原理。圖片來源：Wikipedia

托克馬克裝置是通過磁場約束，把等離子體束縛在裝置內部，成為一個不斷流動的圓環(huán)。當然了，目前的技術還不足以讓核聚變反應自維持，還需要有輔熱系統(tǒng)不斷加熱等離子流（一般用中性粒子束加熱）。

目前，在托克馬克裝置的開發(fā)方面，我們國家走在世界前列。

中國科學院合肥物質科學研究院的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置，在 2021 年 5 月，實現(xiàn)了在 1.2 億度下運行 101 秒和 1.6 億度下運行 20 秒的記錄

。在 2021 年12 月 30 日，又在接近 7000 萬攝氏度下運行了 1056 秒，創(chuàng)造了高溫等離子體運行的最長時間紀錄。

在 2023 年 4 月，全超導托卡馬克核聚變實驗裝置又一次創(chuàng)造新的世界紀錄，成功實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式等離子體運行 403 秒。

圖片來源：新華社

盡管取得了這樣突破性的成就，但距離我們使用核聚變發(fā)電，還有相當長的路要走。

運行之后，還有個關鍵數(shù)值

在核聚變發(fā)電領域，有一個非常重要的指標——Q 值。一個核聚變反應堆釋放的能量和消耗的外部能量比值被稱為 Q 值。

Q 值等于 1 的時候，意味著核聚變反應產(chǎn)生的能量等于它消耗的外部能量。但這時候，并不意味著它能夠自我維持發(fā)電了，一般認為，當 Q 值大于 5 的時候，核聚變反應堆能夠自我維持。[3]但在考慮到熱能、動能、電能間的轉化，國際上公認 Q 值要達到 10 以上核電站才能有收益。

而如果想成為商業(yè)化的核聚變發(fā)電站，Q 值還需要達到 30 以上。那到目前為止，人類已經(jīng)實現(xiàn)的 Q 值最高記錄為 0.67，而推算的理論最高值記錄是 1.25（日本的 JT-60，以氘-氘做實驗，如果換算成氘-氚，理論值是 1.25）。這個值距離核聚變反應堆的自我維持，以及用它來發(fā)電還差得很遠。

但核聚變發(fā)電的誘惑實在是太大了，它和傳統(tǒng)能源的差別，就像恒星和行星的差別一樣，只要掌握了這種恒星級別的能源，人類的文明將向前邁進一大步。

因此，世界上許多國家的科學家們也在積極開發(fā)這種能源。比如，全世界 35 個國家共同參與的 ITER 項目，已經(jīng)開始在法國建造實驗室和各種設備了。建成后，它將是全世界最大的核聚變裝置，預計在 2036 年開始進行全功率核聚變實驗，計劃能夠實現(xiàn) 5~10 分鐘 Q 值超過 10 的運轉。[3]

2023 年 6 月 2 日，ITER 施工現(xiàn)場。圖片來源：iter.org

不過目前，ITER 項目也正在面臨工程技術的巨大挑戰(zhàn)（點擊查看：《1565億元！史上最燒錢攻關項目，它到底是要做啥？》）。

可見，可控核聚變作為人類追求的“終極能源”，還有相當長的一段路要走，即便是各國科學家聚在一起共同努力，也面臨著許多無法預見的困難。人類否能在本世紀“馴服”這種能源，我們拭目以待。

參考資料

[1] https://www.iaea.org/newscenter/news/what-is-nuclear-fusion

[2] McCracken, Garry; Stott, Peter (2012). Fusion: The Energy of the Universe. Academic Press. ISBN 978-0-12-384657-0.

[3] https://www.iaea.org/sites/default/files/6211011zt.pdf

策劃制作

作者丨科學邊角料 科普創(chuàng)作團隊

責編丨崔瀛昊