可控核聚變是什麼?將引發第四次工業革命

1946年2月14日，由美國軍方定製的世界上第一臺電子計算機「電子數字積分計算機」（ENIAC Electronic Numerical And Calculator）在美國賓夕法尼亞大學問世。這也標誌著第三次工業革命開始醞釀。隨後隨著原子能、空間技術和生物工程的發明和應用，第三次工業革命成為一場涉及信息技術、新能源技術、新材料技術、生物技術、空間技術和海洋技術等諸多領域的一場信息控制技術革命。

直到如今，微型計算機迅速發展。手機成為人們生活之中的必需品，四次通信技術的變革，促進了生產自動化、管理現代化、科技手段現代化和國防技術現代化，也推動了情報信息的自動化。而以全球網際網路為標誌的信息高速公路正在縮短人類交往的距離，對社會產生了極大的影響。同時，合成材料的發展、遺傳工程的誕生和資訊理論、系統論和控制論發展，也是這次技術革命的結晶。

隨著5G的到來，科學家也在思考第四次工業革命究竟什麼時候將到來，科學家們認為量子科技、人工智慧、基因工程、石墨烯將帶來第四次工業革命。

量子科技將對經典計算機產生變革，而石墨烯則是因為現在我們所有的電子產品所用的矽晶片的技術現在已經達到極限了，要產生新的電子產品，就要用新的材料，而大家認為石墨烯將會是未來的趨勢。

除此之外，因為第一次工業革命和第二次工業革命都是能源的革命，所以許多科學家認為可控核聚變將會帶來第四次工業革命。今天我們就來了解一下可控核聚變！

為什麼可控核聚變帶來第四次工業革命

我們首先要了解一下什麼是核聚變，什麼是核裂變。

我們知道，如果是由鈾、釷、鈽這种放射性的重元素原子核，自身裂解成其他輕元素的原子核，同時釋放出巨大的能量。以鈾元素發生的反應為例：

235U+1n137Ba+97Kr+2n。其中元素前面的數字不是「化學計量數」，而是質量數，U為鈾、Ba為鋇、Kr為氪、n為中子。原子彈爆炸的反應就是用1個中子n，轟擊1個U原子核發生裂變，同時釋放出的2個中子n再繼續轟擊其他的U原子核……以此類推形成鏈式反應，爆發出驚人的破壞力。稱為核裂變，如原子彈爆炸；

如果是由氫元素這種輕元素的原子核，相互結合成為原子質量更大的較重的原子核，同時釋放出中子，產生巨大的能量。比如下面這樣的反應：D+THe+n。其中D和T分別是氫元素的同位素「氘」和「氚」，He為氦元素，n依舊是中子，則稱為核聚變。

氫彈就是主要利用氫的同位素（氘、氚）的核聚變反應所釋放的能量來進行殺傷破壞，屬於威力強大的大規模殺傷性武器。上面的這個反應就是由氫的同位素氘（讀"刀"，又叫重氫）和氚（讀"川"，又叫超重氫）聚合成較重的原子核如氦而釋出能量。

那為什麼核聚變如此危險，還會被認為將帶來第四次工業革命呢？因為如果核聚變一旦實現可控，那麼就可以穩定地輸出能源。而且整個過程不會產生核裂變所出現的長期和高水平的核輻射，不產生核廢料，當然也不產生溫室氣體，基本不汙染環境。

最重要的是，地球上蘊藏的核聚變能遠比核裂變能豐富得多。據測算，每升海水中含有0.03克氘，所以地球上僅在海水中就有45萬億噸氘。1升海水中所含的氘，經過核聚變可提供相當於300升汽油燃燒後釋放出的能量。地球上蘊藏的核聚變能約為蘊藏的可進行核裂變元素所能釋出的全部核裂變能的1000萬倍，可以說是取之不竭的能源。

我們所熟知的太陽能夠持續45億年發光發熱，就是通過核聚變，1939年，美國物理學家貝特通過實驗證實了太陽發光發熱的原理，把一個氘原子核用加速器加速後和一個氚原子核以極高的速度碰撞，兩個原子核發生了融合，形成一個新的原子核——氦外加一個自由中子，在這個過程中釋放出了17.6兆電子伏的能量。

關於核聚變的研究進展

關於核聚變的研究，我國開展的非常早，早在50年代，我國著名科學家王承書就研究清楚了熱核聚變的理論基礎和方法。並參與建設了我國最初的三個等離子體實驗裝置。成為中國熱核領域的權威專家，並且培養了一大批的熱核領域人才。

而我國兩彈一星元勳王淦昌先生則在全世界最早提出了慣性約束理論。

慣性約束核聚變是指提出發展可控核聚變，用雷射或離子束作驅動源，脈衝式地提供高強度能量，均勻地作用於裝填氖氖(DT)燃料的微型球狀靶丸外殼表面，形成高溫高壓等離子體，利用反衝壓力，使靶的外殼極快地向心運動，壓縮氖氖主燃料層到每立方釐米的幾百克質量的極高密度，並使局部氖氖區域形成高溫高密度熱斑，達到點火條件，驅動脈衝寬度為納秒級，在高溫高密度熱核燃料來不及飛散之前，進行充分熱核燃燒，放出大量聚變能，從而實現可控核聚變。

而另外一種是磁約束聚變，它是指用特殊形態的磁場把氘、氚等輕原子核和自由電子組成的、處於熱核反應狀態的超高溫等離子體約束在有限的體積內，使它受控制地發生大量的原子核聚變反應，釋放出能量 。這是由蘇聯科學家塔姆和薩哈羅夫率先提出的。而我國也早在1962年東北技術物理研究所成立後，建成了一臺Z箍縮裝置、一臺角向箍縮裝置和一臺離子源，並開展了穩態磁鏡的設計。

而到了後來，對於可控核聚變的研究發展出來了「人工太陽」計劃，除了中國，還包括歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯、和、美國一同參與了這項「人造太陽」計劃。可以說「人造太陽」計劃包括了全世界主要的核國家和主要的亞洲國家，覆蓋的人口接近全球一半。

要想實現可控核聚變，有兩大難題需要解決，一個是關於核聚變的「點火」問題，另外一個是是需要製造特殊的高溫高壓環境。與核裂變反應不同，核裂變的原子核質量較大，而且本身不穩定，所以只要常溫常壓的環境就能實現裂變反應。

在這兩大難題上，中國取得的成果都是領先世界，首先是利用慣性約束理論中國建成了神光I和神光II系列雷射裝置，來自上海交通大學的張杰帶領團隊參與的神光II裝置，利用強雷射模擬太陽耀斑中環頂x射線源和重聯噴流，經過7年的嘗試，實現了快點火雷射聚變物理方案。在地球上製造「微型太陽 」，在小實驗室重現「大宇宙」。可以說為中國的」人造太陽「計劃邁出了一大步，而張杰也因此獲得了雷射聚變領域的國際最高獎項:愛德華·泰勒獎。

而利用磁約束聚變中科院等離子體物理研究所設計和研製了全超導託克馬克裝置HT--7U（大科學工程EAST）。

什麼是全超導託克馬克裝置呢？為了能夠製造耐得住1億度高溫的容器，科學家們利用磁約束聚變研究出了磁約束裝置，利用強磁場可以約束帶電粒子的特性，讓它們碰不到容器，這樣就不會破壞儀器。電子脫離後，帶正電原子核群以及電子群就整體變成了中性，也就是等離子體。原子核在等離子體內部猛烈運動，互相的碰撞而產生的核聚變就像太陽裡發生的聚變一樣，這種裝置也稱作全超導託卡馬克核聚變實驗裝置。

簡單來說，託卡馬克裝置又稱環流器，是一個由環形封閉磁場組成的磁籠，很像一個中空的麵包圈,等離子體在這個麵包圈中運動，產生超高溫。

2018年11月12日，合肥製造「人造太陽」裝置的EAST更是首次完成等離子中心的1億度運行，而去年則成功實現電子溫度超過5000萬度、持續時間達102秒的超高溫長脈衝等離子體放電。這也是截至2016年2月國際託卡馬克實驗裝置上電子溫度達到5000萬度持續時間最長的等離子體放電。

而在前段時間，中國在可控核聚變研究上再度取得新突破，中國環流器二號M（HL-2M）總體安裝在中核集團核工業西南物理研究院啟動。作為我國新一代「人造太陽」裝置，HL-2M離子體電流可達3兆安培、等離子體溫度將超過2億攝氏度，未來將用於開展聚變堆相關關鍵物理與工程技術研究，並為國際熱核聚變實驗堆（ITER）提供支撐。

中國的超導裝置是最可能實現可控熱核聚變能應用的途徑之一目前，中科院等離子體所自主發展了68項關鍵核心技術，建成了20個國際先進的平臺和系統，創造了101.2秒穩態長脈衝高約束等離子體運行的世界紀錄。在可控核聚變領域，中國可以說是領先世界，當然，目前日本和美國的技術水平和中國之間的差距很小，某些方面還比我們更強一些。

但是實現一億度到可控核聚變，其中還有很長的路要走。而其中還需要解決的問題就是中子輻射，帶電的都會受磁場約束，那麼中子不帶電在磁場裡不受約束怎麼辦？換言之就是說，帶電粒子會受到約束，觸碰不到容易，然而不帶電中子在磁場裡卻不受控制。

一旦高能量的中子碰撞儀器內部，儀器根本受不住，這樣聚變就沒辦法持續太長時間。這也是未來需要解決的問題。

即使我們成功實現核聚變過程可控，而商業利用聚變能又是更高一層的要求。按照科學家的精確語言來描述，必須是輸出能量大於輸入能量，這個比例稱為Q值，自然是越大越好，成本花費越少，獲得能量越多，這筆買賣才是划算的。因為真正有用的可控核聚變必須要考慮投入產出比。

科學家預測在2070年可以基本完成可控核聚變，進行發電。而到了22世紀，人類可以熟練的通過可控核聚變產生巨大能量，到時候海水可以提供億年的燃料，無成本無限用電也將不再是夢。

那麼如果真的是可控核聚變將帶來第四次工業革命，那我們距離第四次工業革命還有50多年的時間，但不管怎麼樣，中國和日本美國歐洲正處於第一梯隊，中國將不會像前三次工業工業革命一樣，只是旁觀者，將會成為參與者，甚至是引領者。