最近，隨著我國(guó)新一代人造太陽(yáng)“中國(guó)環(huán)流三號(hào)”取得重大科研進(jìn)展，以及一些與核技術(shù)相關(guān)的事件發(fā)生，又有不少人關(guān)注起了人類(lèi)的“終極能源”技術(shù)——可控核聚變。

許多人好奇，為什么說(shuō)核聚變是人類(lèi)的“終極能源”技術(shù)？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(shí)現(xiàn)到什么程度，才能真正解決能源問(wèn)題？下面就讓我們來(lái)聊聊這些問(wèn)題。

庫(kù)茲卡的媽媽

1960 年聯(lián)合國(guó)代表大會(huì)上，赫魯曉夫向美國(guó)承諾，要讓美國(guó)人看看“庫(kù)茲卡的媽媽”，1961 年 10 月 30 日，美國(guó)人看見(jiàn)了。這一天，美國(guó)地震調(diào)查局發(fā)現(xiàn)，在新地島附近，發(fā)生了一場(chǎng)里氏 5 級(jí)左右的地震。但很快，美國(guó)的一架偵察機(jī)發(fā)現(xiàn)，這不是什么地震，正是“庫(kù)茲卡的媽媽”。

“庫(kù)茲卡的媽媽”是蘇聯(lián)的俗語(yǔ)，就像中文的“給你點(diǎn)顏色看看”。這次，蘇聯(lián)人想讓美國(guó)人見(jiàn)識(shí)的，是炸彈 AN602，所以這枚炸彈在蘇聯(lián)就被戲稱(chēng)為“庫(kù)茲卡的媽媽”，而在西方它被稱(chēng)作“沙皇炸彈”。

圖片來(lái)源：Wikipedia

蘇聯(lián)原計(jì)劃的“庫(kù)茲卡的媽媽”是一枚 1 億噸 TNT 當(dāng)量的超級(jí)核彈。但當(dāng)時(shí) 1 億噸級(jí)核彈的設(shè)計(jì)方案里，可能會(huì)引起比較大范圍的放射性沉降。另外，這個(gè)量級(jí)的炸彈在投彈后，飛行員不可能有足夠的時(shí)間逃離爆炸現(xiàn)場(chǎng)，基本是有去無(wú)回。所以蘇聯(lián)方面修改了炸彈設(shè)計(jì)，把爆炸當(dāng)量削減了一半。

美國(guó)人見(jiàn)識(shí)到的，正是削弱版的“庫(kù)茲卡的媽媽”。但即便是削弱版，它也是人類(lèi)歷史上威力最大的炸彈，它的爆炸當(dāng)量是 5000 萬(wàn)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(kù)茲卡的媽媽”爆炸的時(shí)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(jiàn)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?yàn)樗昧肆硪环N原子核反應(yīng)產(chǎn)生的能量——核聚變能。

圖片來(lái)源：Wikipedia

什么是核聚變？

核聚變是兩個(gè)比較輕原子的原子核融合成一個(gè)較重原子核。這個(gè)過(guò)程也會(huì)釋放出巨大的能量。同樣重量的核聚變?nèi)剂希ㄒ话闶菤涞耐凰仉㈦埃┠軌虍a(chǎn)生核裂變 4 倍的能量，比燒石油或煤炭高 400 萬(wàn)倍。[1]

太陽(yáng)的能量就是核聚變產(chǎn)生的。圖片來(lái)源：Wikipedia

但核聚變并不容易發(fā)生。在說(shuō)原子結(jié)構(gòu)的時(shí)候我們提到過(guò)，原子核都是帶正電的，兩個(gè)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?nèi)诤系臋C(jī)會(huì)。

這種條件在宇宙里并不難找，比如太陽(yáng)和其他恒星內(nèi)部，巨大的壓力和高溫能夠維持核聚變反應(yīng)。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(shí)候，原子彈中心能夠產(chǎn)生上千萬(wàn)度的高溫，以及數(shù)十億個(gè)大氣壓的壓力。所以，人們自然會(huì)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(shí)候的能量，也許能引發(fā)核聚變。

1951 年 5 月，一枚叫“喬治”的實(shí)驗(yàn)彈被推上了試驗(yàn)臺(tái)，在原子彈核心，除了用來(lái)引發(fā)核裂變的材料之外，還有液態(tài)氘?？茖W(xué)家們希望通過(guò)它試驗(yàn)原子彈能不能引發(fā)核聚變。結(jié)果，它發(fā)出了遠(yuǎn)超過(guò)原子彈的爆炸威力，由此人們確認(rèn)了，用原子彈引發(fā)核聚變是可行的。

喬治爆炸時(shí)的景象，圖片來(lái)源：Wikipedia

因?yàn)樽畛Ｊ褂玫暮司圩兎磻?yīng)來(lái)自氫同位素氘和氚的聚變反應(yīng)，因此，這類(lèi)核聚變武器又被稱(chēng)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(lái)使用。想要把它用作能源，同樣需要“馴服”這股強(qiáng)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(gè)方面：

首先，利用核聚變發(fā)電的條件太苛刻了。根據(jù)費(fèi)米的計(jì)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(wàn)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(dāng)然了，科學(xué)家們能夠利用技術(shù)手段創(chuàng)造出這樣的高溫環(huán)境，比如通過(guò)電場(chǎng)、粒子束、無(wú)線電波振蕩（類(lèi)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(huì)帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題，沒(méi)有任何物質(zhì)能夠盛放被加熱后的等離子體。

目前已知的熔點(diǎn)最高的物質(zhì)是碳化鉭鉿（Ta4HfC5），它的熔點(diǎn)是 4215 攝氏度。這個(gè)熔點(diǎn)和被加熱后的等離子體相比，實(shí)在是差太多了。為了解決這個(gè)問(wèn)題，目前最成熟的方法是用托克馬克裝置來(lái)約束等離子體，這也是目前最有希望成為核聚變反應(yīng)堆的容器。

托克馬克裝置原理。圖片來(lái)源：Wikipedia

托克馬克裝置是通過(guò)磁場(chǎng)約束，把等離子體束縛在裝置內(nèi)部，成為一個(gè)不斷流動(dòng)的圓環(huán)。當(dāng)然了，目前的技術(shù)還不足以讓核聚變反應(yīng)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(kāi)發(fā)方面，我們國(guó)家走在世界前列。

中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，在 2021 年 5 月，實(shí)現(xiàn)了在 1.2 億度下運(yùn)行 101 秒和 1.6 億度下運(yùn)行 20 秒的記錄

。在 2021 年12 月 30 日，又在接近 7000 萬(wàn)攝氏度下運(yùn)行了 1056 秒，創(chuàng)造了高溫等離子體運(yùn)行的最長(zhǎng)時(shí)間紀(jì)錄。

在 2023 年 4 月，全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置又一次創(chuàng)造新的世界紀(jì)錄，成功實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式等離子體運(yùn)行 403 秒。

圖片來(lái)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(dāng)長(zhǎng)的路要走。

運(yùn)行之后，還有個(gè)關(guān)鍵數(shù)值

在核聚變發(fā)電領(lǐng)域，有一個(gè)非常重要的指標(biāo)——Q 值。一個(gè)核聚變反應(yīng)堆釋放的能量和消耗的外部能量比值被稱(chēng)為 Q 值。

Q 值等于 1 的時(shí)候，意味著核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量等于它消耗的外部能量。但這時(shí)候，并不意味著它能夠自我維持發(fā)電了，一般認(rèn)為，當(dāng) Q 值大于 5 的時(shí)候，核聚變反應(yīng)堆能夠自我維持。[3]但在考慮到熱能、動(dòng)能、電能間的轉(zhuǎn)化，國(guó)際上公認(rèn) Q 值要達(dá)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(dá)到 30 以上。那到目前為止，人類(lèi)已經(jīng)實(shí)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(shí)驗(yàn)，如果換算成氘-氚，理論值是 1.25）。這個(gè)值距離核聚變反應(yīng)堆的自我維持，以及用它來(lái)發(fā)電還差得很遠(yuǎn)。

但核聚變發(fā)電的誘惑實(shí)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(jí)別的能源，人類(lèi)的文明將向前邁進(jìn)一大步。

因此，世界上許多國(guó)家的科學(xué)家們也在積極開(kāi)發(fā)這種能源。比如，全世界 35 個(gè)國(guó)家共同參與的 ITER 項(xiàng)目，已經(jīng)開(kāi)始在法國(guó)建造實(shí)驗(yàn)室和各種設(shè)備了。建成后，它將是全世界最大的核聚變裝置，預(yù)計(jì)在 2036 年開(kāi)始進(jìn)行全功率核聚變實(shí)驗(yàn)，計(jì)劃能夠?qū)崿F(xiàn) 5~10 分鐘 Q 值超過(guò) 10 的運(yùn)轉(zhuǎn)。[3]

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

不過(guò)目前，ITER 項(xiàng)目也正在面臨工程技術(shù)的巨大挑戰(zhàn)（點(diǎn)擊查看：《1565億元！史上最燒錢(qián)攻關(guān)項(xiàng)目，它到底是要做啥？》）。

可見(jiàn)，可控核聚變作為人類(lèi)追求的“終極能源”，還有相當(dāng)長(zhǎng)的一段路要走，即便是各國(guó)科學(xué)家聚在一起共同努力，也面臨著許多無(wú)法預(yù)見(jiàn)的困難。人類(lèi)否能在本世紀(jì)“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(xué)邊角料 科普創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)

責(zé)編丨崔瀛昊