核聚變：世界未來的清潔能源

數百年以來，人類一直夢想著駕馭太陽能，為地球上的生命提供能量。但我們想實現的，不僅僅是利用太陽能，而是在地球上造出一個「迷你太陽」，也就是核聚變。

如果我們能解決各種極為複雜的科學和工程問題，便能通過核聚變獲取清潔、安全、無窮無盡的能量了。只要每日從水中提取出一千克的氘（氫的一種同位素），產生的電量就足夠成千上萬個家庭使用。

圖為核聚變反應堆中的等離子體。

從上世紀50年代以來，科學與工程研究取得了巨大進展，使我們朝著可持續的氫原子聚變反應又近了一步。實驗產生的核聚變能量雖然很少，但也足以被測量出來了。但懷疑者和支持者都意識到，核聚變目前仍面臨著兩大挑戰：一是如何延長反應時間，二是怎樣的設備結構才能將核聚變能量轉化為電力。

普林斯頓等離子物理實驗室的核聚變研究人員指出，我們至少還要25年時間才能建成首座商用核聚變發電廠。但考慮到核聚變帶來的巨大益處，我們還是要繼續努力的。證明核聚變的可行性也許要不了這麼久——我們也必須加快步伐，才能在計劃未來的能源時將核聚變納入考慮範圍之內。

與太陽能、天然氣與核裂變等其它發電方式不同，核聚變無法先用微縮模型進行研發、再成比例地放大。核聚變在實驗階段就需要大規模開展，並且相關設備也需要花很久來準備。但在接下來的一個世紀中，人類必須設法獲取充足、清潔的能源。如果不在核聚變這種最具前景的能源上想辦法，就未免太愚蠢了。

但這件事做起來相當困難：由於原子核均帶正電荷，因此會與彼此相斥。除非它們以極高的速度運行，才能在相撞時融合在一起，釋放出我們需要的能量。這樣的過程在太陽上會自然而然地發生。但在地球上，我們需要用強大的磁鐵來控制住由帶電的氘、氚原子核與電子構成的超高溫氣體，也就是我們所說的等離子體。等離子體的溫度極高，超過1億攝氏度。在這樣的高溫下，帶正電荷的原子核便能以超高速運行，衝破正電荷產生的排斥力，與別的原子核融合在一起。

原子核融合之後會形成兩個高能粒子——一個α粒子（氦原子的原子核）和一個中子。要想使等離子體達到如此高的溫度，就需要在核聚變反應開始之前，向反應器中提供大量能量。但反應一旦開始，核聚變產生的能量就足以維持這一溫度，多餘的熱量則可被我們用來轉化成可利用的電能。

核聚變所需的燃料在大自然中比比皆是。例如，水中含有大量的氘，反應器還可以將鋰轉化成氚。並且這些原料廣泛分布於世界各國，不會受當地自然資源所限。核聚變是一種清潔的能量來源，不會產生溫室氣體，產物只有氦氣和中子。

核聚變是一種安全的反應過程，不可能像核裂變一樣發生失控。如果反應出現異常，等離子體的溫度就會下降，核聚變反應也就隨之停止了。正是由於核聚變具有這樣的特性，數十年來，人們才對其展開了不懈研究，並越來越被其所吸引。但核聚變雖然益處多多，對技術的挑戰也同樣不容小覷。核聚變領域取得的進展主要可以從兩個方面進行衡量。

首先，我們對高溫等離子體有了更深入的了解。科學家專門創立了等離子體這一新的物理領域，研究如何將等離子體限制在強大的磁場中，後來還掌握了對等離子體進行加熱、使其保持穩定、控制等離子體內部擾動的能力。

其次，相關技術也取得了巨大進步。我們在磁體、電磁波源和粒子束領域都取得了重大突破，得以用它們來限制和加熱等離子體。此外我們還研發出了能夠承受等離子體極端高溫的材料。

從這一過程中取得的進步來看，核聚變商業化還是有望實現的。首屈一指的便是在實驗室中產生的核聚變能量：上世紀70年代，科學家在實驗室中產生的核聚變能量還只有幾毫瓦，僅僅持續了幾微秒；但到了90年代，普林斯頓等離子體實驗室產生的能量便達到了1千萬瓦特，歐洲聯合科研中心在1秒鐘里產生了的能量更是高達1600萬瓦特。

如今，國際科學界正聯手在巴黎建造一處規模巨大的核聚變研究機構，即國際熱核聚變實驗反應堆（簡稱ITER，在拉丁語中意為「路」），它可以產生5億瓦特的熱核聚變能量，每次時間長達8分鐘。如果將這些能量轉化為電能的話，足以為15萬戶家庭供電。

國際熱核聚變實驗反應堆（簡稱ITER，在拉丁語中意為「路」）

在此次實驗中，科學家將對可持續核聚變發電廠可能遇到的關鍵科學與工程問題進行測試。

ITER採用了一種名叫「托塔馬克」（tokamak）的反應裝置，其中的等離子體呈甜甜圈狀，受到強大的磁場約束。而該磁場的一部分是由等離子體中流動的電流產生的。

「

托塔馬克」（tokamak）的反應裝置

雖然ITER是被當作研究項目來設計的，不準備用來產生電能，但它產生的核聚變能量將高達給等離子體加熱所需的5千萬瓦能量的10倍。

這是一次巨大的科學飛躍。在此次實驗中，等離子體加熱所需的大部分能量都來自於核聚變反應本身。參與ITER項目的國家佔了世界上一半的人口：中國，歐盟，印度，日本，俄羅斯，韓國和美國。此次項目就像一份強有力的國際聲明，彰顯了我們對實現核聚變的迫切需求和莊嚴承諾。

接下來，我們的工作主要由兩方面組成。首先，我們必須繼續開展對托塔馬克的研究。要繼續促進物理和工程領域的發展，讓等離子體可以維持數月的穩定狀態。我們還需要研發能夠高耐熱材料，可以在較長時間內承受相當於太陽表面溫度五分之一的熱量。此外，我們還要尋找反應堆堆芯的屏蔽材料，吸收反應釋放出的中子。其次，我們還需要從四個方面進一步加強核聚變的優勢：

1）在現有的物理和工程條件下，用計算機優化核聚變反應堆的設計。計算結果顯示，優化後的設計應為甜甜圈形狀，運行起來非常穩定，並且能自動運作數月之久。在核聚變行業中，這種裝置叫做「仿星器」（stellarators）。

2）研發磁力更強、體積更小的新型高溫超導磁鐵，從而減少核聚變反應堆的體積和成本。

3）用液態金屬取代固態金屬來約束等離子體。固態金屬在接觸等離子體時可能會破裂，而液態金屬不會，因此或許能解決這個棘手的問題。

4）取消甜甜圈狀等離子體中間的空心設計，讓等離子體的形狀接近於球形。

在採取上述做法之後，即使在強度稍弱的磁場中，實驗裝置也能照常運行，或許還能降低反應堆的大小和成本。

如今，各國政府紛紛出資，支持上述兩方面的研究。取得的成果將惠及核聚變能源領域的所有研究工作，並將進一步加深我們對宇宙中、以及工業中的等離子體的理解。而在過去的10至15年間，私營企業也加入了這一陣營，我們將不斷進步，終有一日能獲得用之不竭、清潔安全的能源。

來源：新浪科技

編輯：J.C