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本文来自公众号科普中国(ID:Science_China)
最近,随着我国新一代人造太阳“中国环流三号”取得重大科研进展,以及一些与核技术相关的事件发生,又有不少人关注起了人类的“终极能源”技术——可控核聚变。
许多人好奇,为什么说核聚变是人类的“终极能源”技术?核聚变的发展历史是什么样的?可控核聚变到底为什么“难控”?核聚变要实现到什么程度,才能真正解决能源问题?下面就让我们来聊聊这些问题。
1960 年联合国代表大会上,赫鲁晓夫向美国承诺,要让美国人看看“库兹卡的妈妈”,1961 年 10 月 30 日,美国人看见了。这一天,美国地震调查局发现,在新地岛附近,发生了一场里氏 5 级左右的地震。但很快,美国的一架侦察机发现,这不是什么地震,正是“库兹卡的妈妈”。“库兹卡的妈妈”是苏联的俗语,就像中文的“给你点颜色看看”。这次,苏联人想让美国人见识的,是炸弹 AN602,所以这枚炸弹在苏联就被戏称为“库兹卡的妈妈”,而在西方它被称作“沙皇炸弹”。苏联原计划的“库兹卡的妈妈”是一枚 1 亿吨 TNT 当量的超级核弹。但当时 1 亿吨级核弹的设计方案里,可能会引起比较大范围的放射性沉降。另外,这个量级的炸弹在投弹后,飞行员不可能有足够的时间逃离爆炸现场,基本是有去无回。所以苏联方面修改了炸弹设计,把爆炸当量削减了一半。美国人见识到的,正是削弱版的“库兹卡的妈妈”。但即便是削弱版,它也是人类历史上威力最大的炸弹,它的爆炸当量是 5000 万吨,是“小男孩”原子弹的 3800 倍,是二战里所有常规炸弹的总能量的 10 倍。“库兹卡的妈妈”爆炸的时候,产生了直径堪比珠穆朗玛峰高度的大火球(直径 8 千米),在 1000 千米外都能看见核爆的闪光。爆炸产生了一朵巨型蘑菇云,高度接近珠穆朗玛峰的 8 倍(67 千米高),蘑菇头部分宽 97 千米。之所以有这样的威力,是因为它利用了另一种原子核反应产生的能量——核聚变能。核聚变是两个比较轻原子的原子核融合成一个较重原子核。这个过程也会释放出巨大的能量。同样重量的核聚变燃料(一般是氢的同位素氘、氚)能够产生核裂变 4 倍的能量,比烧石油或煤炭高 400 万倍。[1]太阳的能量就是核聚变产生的。图片来源:Wikipedia在说原子结构的时候我们提到过,原子核都是带正电的,两个原子核想要碰撞融合,必须克服斥力,让它们的原子核靠得足够近。这就需要提供超高温、超高压,把大量原子核压在一块,增加它们融合的机会。这种条件在宇宙里并不难找,比如太阳和其他恒星内部,巨大的压力和高温能够维持核聚变反应。但在地球表面,想创造这样的条件并不容易。在原子弹爆炸的时候,原子弹中心能够产生上千万度的高温,以及数十亿个大气压的压力。所以,人们自然会想到,在原子弹的核心旁边放上核聚变材料,利用原子弹爆炸时候的能量,也许能引发核聚变。1951 年 5 月,一枚叫“乔治”的实验弹被推上了试验台,在原子弹核心,除了用来引发核裂变的材料之外,还有液态氘。科学家们希望通过它试验原子弹能不能引发核聚变。结果,它发出了远超过原子弹的爆炸威力,由此人们确认了,用原子弹引发核聚变是可行的。因为最常使用的核聚变反应来自氢同位素氘和氚的聚变反应,因此,这类核聚变武器又被称为氢弹。虽然氢弹是利用了核聚变,但它是不受控制的核聚变,能够作为武器,但不能作为能源来使用。想要把它用作能源,同样需要“驯服”这股强大的能量。核聚变只有在非常极端的条件下才能发生,因此想要“驯服”这股能量极其困难。主要表现在以下几个方面:首先,利用核聚变发电的条件太苛刻了。根据费米的计算,想利用核聚变发电,等离子体的温度要被加热到大约 5000 万摄氏度以上[2]。可在地球的自然环境里,不存在这样的高温环境。当然了,科学家们能够利用技术手段创造出这样的高温环境,比如通过电场、粒子束、无线电波振荡(类似微波炉的原理)、磁振荡加热等等。但创造这样的环境,一方面需要消耗大量的能量。另一方面,会带来一个问题,没有任何物质能够盛放被加热后的等离子体。目前已知的熔点最高的物质是碳化钽铪(Ta4HfC5),它的熔点是 4215 摄氏度。这个熔点和被加热后的等离子体相比,实在是差太多了。为了解决这个问题,目前最成熟的方法是用托克马克装置来约束等离子体,这也是目前最有希望成为核聚变反应堆的容器。托克马克装置是通过磁场约束,把等离子体束缚在装置内部,成为一个不断流动的圆环。当然了,目前的技术还不足以让核聚变反应自维持,还需要有辅热系统不断加热等离子流(一般用中性粒子束加热)。目前,在托克马克装置的开发方面,我们国家走在世界前列。中国科学院合肥物质科学研究院的全超导托卡马克核聚变实验装置,在 2021 年 5 月,实现了在 1.2 亿度下运行 101 秒和 1.6 亿度下运行 20 秒的记录。在 2021 年12 月 30 日,又在接近 7000 万摄氏度下运行了 1056 秒,创造了高温等离子体运行的最长时间纪录。在 2023 年 4 月,全超导托卡马克核聚变实验装置又一次创造新的世界纪录,成功实现稳态高约束模式等离子体运行 403 秒。尽管取得了这样突破性的成就,但距离我们使用核聚变发电,还有相当长的路要走。在核聚变发电领域,有一个非常重要的指标——Q 值。一个核聚变反应堆释放的能量和消耗的外部能量比值被称为 Q 值。Q 值等于 1 的时候,意味着核聚变反应产生的能量等于它消耗的外部能量。但这时候,并不意味着它能够自我维持发电了,一般认为,当 Q 值大于 5 的时候,核聚变反应堆能够自我维持。[3]但在考虑到热能、动能、电能间的转化,国际上公认 Q 值要达到 10 以上核电站才能有收益。而如果想成为商业化的核聚变发电站,Q 值还需要达到 30 以上。那到目前为止,人类已经实现的 Q 值最高记录为 0.67,而推算的理论最高值记录是 1.25(日本的 JT-60,以氘-氘做实验,如果换算成氘-氚,理论值是 1.25)。这个值距离核聚变反应堆的自我维持,以及用它来发电还差得很远。但核聚变发电的诱惑实在是太大了,它和传统能源的差别,就像恒星和行星的差别一样,只要掌握了这种恒星级别的能源,人类的文明将向前迈进一大步。因此,世界上许多国家的科学家们也在积极开发这种能源。比如,全世界 35 个国家共同参与的 ITER 项目,已经开始在法国建造实验室和各种设备了。建成后,它将是全世界最大的核聚变装置,预计在 2036 年开始进行全功率核聚变实验,计划能够实现 5~10 分钟 Q 值超过 10 的运转。[3]![](https://cdnimg.redian.news/mmbiz_jpg/pkzvoddEiaFUlicwSiaclpn6icG59icdzWXANn3Ts9DPpCiapQ42qpy1WiagLvK61Ky3YCCrHG50zWibaTG1IFtSgbD1fQ/640?wx_fmt=jpeg)
2023 年 6 月 2 日,ITER 施工现场。图片来源:iter.org不过目前,ITER 项目也正在面临工程技术的巨大挑战。可见,可控核聚变作为人类追求的“终极能源”,还有相当长的一段路要走,即便是各国科学家聚在一起共同努力,也面临着许多无法预见的困难。人类否能在本世纪“驯服”这种能源,我们拭目以待。[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酷玩实验室经授权转载
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