為什麼核聚變總在30年後？

（劉人 / 編譯）長久以來，核聚變一直被視為能源研究的聖杯。它代表了一種幾乎無限的能量來源，潔凈，安全而自持。自從 1920 年代英國物理學家亞瑟 · 埃丁頓提出關於核聚變的理論以來，核聚變已經激起了了科學家和科幻作家的無數遐想。

聯合歐洲環形托卡馬克裝置的內部。圖片來源：EUROfusion

從本質上來說，核聚變是個很簡單的概念。聚攏兩個氫同位素原子，用壓倒性的力量把它們撞在一起；兩個原子核克服了它們之間天然的排斥力融合到一起，發生反應，釋放出巨大的能量。

但是，回報越大，投入也需要越大，而數十年來，我們一直與一個難題纏鬥不休：如何為氫燃料提供能量並保持它不逃逸，直到它升溫到 8000 萬度以上？時至今日，最成功的幾次聚變實驗已經成功將等離子態的氫燃料加熱到了超過 5 億度，並且在 3.5 分鐘內維持為一團等離子——雖然這並不是在同一次實驗中，也不是在同一個反應堆中實現的。

最近的成功進展來自德國和中國：德國的文德爾施泰因 7-X 反應堆於近期上線，進行了一次成功的實驗，達到了接近 1 億度的高溫；中國的 EAST 反應堆則成功地將核聚變反應維持了 102 秒，儘管反應溫度更低一些。

不過，儘管有了這些進步，幾十年來，研究者們還是在說著同一句話：我們離實用的聚變反應堆還有 30 年。甚至就在科學家們追尋這座 " 聖杯 " 的過程中，事實也越來越清楚——我們仍然不知道我們究竟不知道什麼。

文德爾施泰因 7-X 反應堆獲得的等離子態氫，反應堆內部溫度超過七千六百萬度。圖片來源：IPP

每一個答案，都帶來更多問題

德國文德爾施泰因 7-X 反應堆和中國 EAST 反應堆的實驗被譽為 " 突破性進展 "，在核聚變實驗中，這是一個很常見的形容。雖然這些案例或許十分激動人心，但考慮到我們所面臨的問題的規模，它們只能算是小兒學步。很顯然，要實現核聚變，需要達成幾個，或者十幾個這樣的 " 突破性進展 "。

" 我不認為我們已經達到了知道要做什麼才能跨越那道決定性門檻的階段 "，馬克 · 赫爾曼說，他是加州國家點火設施的負責人。" 我們仍然在學習這門科學究竟是什麼，我們也許已經排除了一些干擾項，但如果排除了它們，還會有別的問題嗎？我們幾乎可以確信會有，但還不知道要對待它們會有多難。"

在未來十年內，國際共建的國際熱核聚變實驗堆（ITER）即將建成 , 該裝置將把我們所知道的所有核聚變知識融匯在一個反應堆里。目前，ITER 最有希望可靠達到產耗平衡點，或者說臨界溫度密度——在此點上，聚變反應所產生的能量超過了製造它所耗費的能量。在產耗平衡點，兩個原子核聚變所釋放的能量足以使其他原子核融合在一起，達成一個自我維持的循環，從而使聚變電站成為可能。

然而，或許是不可避免的，ITER 項目面臨著各種挫折，設計上的爭論也減緩了建造進程，美國甚至威脅要削減其對項目投入的資金。正是因為這些形形色色的預算和政策上的游移不定，我們可以確定，在接下來的 30 年中，我們還會繼續說 " 核聚變是 30 年後的事 "。

到底什麼是核聚變？

可靠地達到產耗平衡點是個雙重難題：一要使反應啟動，二要讓它持續進行。為了從聚變反應中得到能量，你必須先向其輸入足夠的能量，推動核聚變達到一定速率。一旦你超越了這條界線，燃燒的等離子體必須立刻被可靠地約束住，以免它失去穩定，導致反應失敗。

為了解決約束這個問題，大部分裝置都使用了強大的磁場，讓等離子體懸浮在半空中中，防止它的高溫將反應堆壁熔毀。這些 " 磁約束裝置 " 看起來就像一個巨大的甜甜圈，容納著被磁場約束住的等離子體環，如果溫度足夠高，等離子環內就會發生聚變反應。俄國科學家在上世紀 50 年代首先提出了這種設計，儘管人們真正用它實現核聚變是幾十年後的事了。

一台磁約束聚變裝置——文德爾施泰因 7-X 反應堆——正在建造中。圖片來源：IPP

要用這種裝置產生一團真正穩定運行的等離子體，需要兩個磁場：一個磁場包裹著等離子體，另一個磁場則沿著等離子環的方向運行。目前使用的有兩種類型的磁約束裝置：托卡馬克和仿星器。

兩者之間差別不怎麼大，但是微小的差別也可能對哪種裝置會在未來取得成功產生巨大影響。兩種設計之間的主要差異是它們產生極向磁場的方式——就是那個環繞等離子體的磁場。托卡馬克將電流通過等離子體本身，而仿星器則使用裝置外部的磁體來產生螺旋形磁場 , 環繞等離子體。

據普林斯頓等離子體物理實驗室的霍奇 · 尼爾森介紹，總的來說，仿星器被認為更為穩定，但建造起來更為困難，而且缺少研究。另一方面，托卡馬克裝置則更容易理解和建造，但存在一些固有的不穩定性問題。

目前，在這場競賽中，兩位選手誰將獲勝尚不清楚，二者似乎都還沒接近 " 聖杯 "。因此，由於無人勝出，研究者們選擇了同時建造這兩種裝置。

組裝成文德爾施泰因 7-X 外部容器的五部分之一，於生產中拍攝。圖片來源：沃爾夫岡 · 費爾瑟 /IPP

目前，世界上最大的聚變反應堆是聯合歐洲環形裝置（JET），這是一個位於英國的托卡馬克型裝置，由歐盟提供資金支持。JET 於上世紀 70 年代被委託建造，1983 年首次投入運行，並成功生產出了等離子體——也就是核聚變的第一步。JET 目前保持著在聚變反應中產生 16 兆瓦能量的最高記錄，但即便如此，它也沒有達到產耗平衡點。

為了達到產耗平衡這個至關重要的里程碑，我們或許不得不等待 ITER 的問世。按計劃，ITER 裝置每輸入 50 兆瓦電力就能產生 500 兆瓦電力，並能將等離子體狀態保持在半個小時以上。這些能量足夠為 50000 戶家庭供電。ITER 的設計基於托卡馬克構型，是歐盟與包括美國在內的六個國家彙集資源和技術、期望開啟利用核聚變能源的大門的成果。

用以產生 ITER 環向磁場的其中一種電纜。圖片來源：ITER 組織

歐洲核聚變研發創新聯盟的研究員德瑞特 · 波巴表示，目前各類核聚變發生裝置面臨的一個主要問題是規模太小，而 ITER 將試圖克服這一不足。隨著反應堆的增大，反應過程會變得更加穩定，而且可以達到更高的溫度，這是實現核聚變的兩個關鍵因素。

然而，ITER 項目的合作特質已經明顯減緩了它的建設進程，各國分頭提供零部件帶來了政治和經濟上的變數，延誤了反應堆建成的時間。ITER 於 2006 年首次獲得正式批准，計劃於 2016 年實現首次核聚變，但截至目前，這個日期已被推遲了至少 10 年，最早要到 2026 年才能實現。

圖解分別負責生產 ITER 反應堆不同部分的國家。圖片來源：ITER

此外，據尼爾森說，要成功建成一個能夠解決我們能源需求的核聚變發電站，單靠 ITER 是不夠的。雖然 ITER 是反應堆設計上的一個顯著進步，但它並不意味著核聚變研究的終點。

如果一切順利進行，ITER 將為另一個反應堆—— DEMO（聚變示範電站）——鋪平道路，這種反應堆將把 ITER 的技術擴大至工業規模，並且有望證明核聚變是一種切實可行的能量來源。

與此同時，世界各地新建成的各個核聚變反應堆將會繼續在核聚變研究中扮演重要角色。他們的研究絕非多餘，而有助於從不同的角度攻克這個難題。

尼爾森說，在 ITER 試圖解決規模問題的同時，亞洲地區的核聚變項目正在探索超導磁體的優勢，儘力延長等離子體的維持時間。同時，德國的文德爾施泰因 7-X 項目推進了仿星器的設計，或許能徹底避開整體穩定性問題。然而，儘管各國對核聚變興趣激增，但目前的努力仍然不夠。尼爾森表示：" 對於像核聚變這樣困難繁多而又充滿挑戰性的難題，你會期望我們正在進行比現在多得多的實驗，以嘗試解決各式各樣的問題 "。

歸根結底，問題可能還是在於資金。科學研究受困於資金肯定不是什麼新問題，但對於核聚變來說，由於其超過一代人的超長時間跨度，資金成了個尤為困難的問題。雖然潛在的好處顯而易見，但我們能從核聚變研究中得到回報的那一天仍在遙遠的未來。

拉班 · 科布倫茨認為，我們渴望立即從投資中得到回報，這種挂念削弱了人們對核聚變研究的熱情。他是 ITER 項目傳播部門的負責人。

他說：" 我們希望我們的足球教練能在兩年內提升比賽成績，不行就走人；政治家們只有兩年、四年或者六年的任期，然後走人——在這些方面，從投資到獲得回報只有很短的時間。所以，當有人告訴你要在 10 年後才能出結果時，這種說法很難讓人買賬。"

在美國，核聚變的研究經費，包括對 ITER 項目的投資在內，一年還不到 6 億美元。美國能源部 2013 年對於能源研究的預算申請是 30 億美元，與之相比，核聚變的研究經費是相當少的，而總體上說，能源類項目的研究經費佔美國當年所有研究經費總額的 8%。

" 如果你對照比較一下能源預算，或是軍備研發上的花費，用於核聚變研究的錢真的不算很多，" 托馬斯 · 佩德森說，他是馬克斯 - 普朗克研究所的等離體物理部的主管。" 如果把核聚變研究與其他研究項目對比，它看起來是挺昂貴的，但如果把它與石油生產、風電，或者可再生能源補貼相比，這筆費用比它們少多了。"

從上方俯視 JET 反應堆。圖片來源：EUROfusion

佩德森對核聚變研究的關注點在於預期投入產出比。在太陽能和風能研究上的投入可能相對便宜，但是與實用化的核聚變電站相比，其回報就不值一提了。

核聚變總在 30 年以後

雖然如此，現在，那條終點線，那個似乎我們每前進一步它就後退一步的山頂，已經遙遙在望。這是一條若隱若現的坎坷之路，不僅是因為技術上的原因，還受到了政治和經濟問題的阻礙。科布倫茨、尼爾森和波巴認為，可控核聚變無疑是一個可以達成的目標，然而，我們何時才能到達，或許在很大程度上取決於我們到底有多想要它。

" 托卡馬克之父 "，蘇聯物理學家列夫 · 阿齊莫維齊可能早已做出了最好的總結：

" 核聚變會在社會需要它的時候準備就緒。"

題圖來源：EUROfusion

（編輯：Ent）

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