科技視界 | 中國距利用"核聚變能"還有多遠

　　導語：

　　中國現在「人造太陽」達到1億度以上運行，這意味著我國核聚變技術又上升到一個新的臺階。什麼樣的裝置能耐如此高溫？距離世界先進水平還有什麼差距？ 

　　據中國核工業集團有限公司4月公布的消息，中國「人造太陽」環流器二號M（HL-2M）裝置將於今年建成，HL-2M是在我國首個具有偏濾器位形的大型託卡馬克裝置「中國環流器二號（HL-2A）」基礎上新研製的又一大型託卡馬克裝置，其科研目標是探索可控核聚變研究，實現「人造太陽」的人類終極能源追求。

　　該脈衝機組的成功研製，將驅動HL-2M裝置的等離子體電流達到此前現有裝置的2倍以上、等離子體溫度超過1.5億度，從而為在這個裝置上開展近堆芯級參數下的等離子體物理實驗和關鍵技術研究提供有力保障。

　　這意味著我國的核聚變技術又上升到一個新的臺階，中國距利用核聚變能的夢想又近了一大步。

　　此前，中國科學院等離子體所2018年11月12日發布消息，我國「人造太陽」項目獲得重大突破，首次實現加熱功率超過10兆瓦，等離子體儲能增加到300千焦，等離子體中心電子溫度首次達到1億度。

被稱為中國「人造太陽」的「東方超環」（EAST）大科學裝置

　　不過，按照現在的研究進展，人類實現聚變能的商業化應用至少還要等到2035年以後。

　　核聚變其實並不複雜

　　「『人造太陽』只是為了便於大眾理解的一種比喻說法，它是指科學家利用太陽核反應原理，為人類製造一種能提供能源的機器——人工可控核聚變裝置，科學家稱它為全超導託卡馬克核聚變試驗裝置。」中國科學院等離子體物理研究所聚變堆總體研究室執行主任高翔研究員對記者表示。

　　中國的「人造太陽」又稱為「東方超環」（EAST），是世界上第一個非圓截面全超導託卡馬克，也是中國第四代核聚變實驗裝置。

　　「人造太陽」並不能像真正的太陽那樣給我們光和熱。這也是不可能的，否則，地球上的我們離這樣的裝置這麼近，還不被氣化了？哪裡還有科學家做實驗？

核聚變反應示意圖（圖片來自網絡）

　　其實，核聚變並不複雜，它是指氫原子核反應時放出巨大能量的過程。只要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實現融合，就能發生核聚變，並釋放出巨大的能量。但是在現實中，其發生反應的條件比重原子核發生的核裂變要苛刻得多。

　　根據科學構想，核聚變主要有冷核聚變與熱核反應兩種方式。

　　冷核聚變是指輕原子核在相對低溫（甚至常溫）下進行的核聚變反應，這種設想將極大地降低反應要求，只要能夠在較低溫度下讓核外電子擺脫原子核的束縛，或者在較高溫度下用高強度、高密度磁場阻擋中子或者讓中子定向輸出，就可以使用更普通更簡單的設備產生可控冷核聚變反應，同時也使聚核反應更安全。不過這種情況還只是針對自然界已知存在的熱核聚變而提出的一種概念性「假設」。

　　熱核反應是當前很有前途的新能源獲取方式，是指參與核反應的輕原子核，如氫（氕）、氘、氚、鋰等從熱運動獲得必要的動能而引起的聚變反應。

　　熱核反應是氫彈爆炸的基礎，1967年6月17日中國第一顆氫彈已經爆炸成功，這個過程在瞬間產生大量熱能，但目前還無法加以利用。不過科學家們發現，如能使熱核反應在一定約束區域內，根據人們的意圖有控制地產生與進行，即可實現受控熱核反應。這也正是現在中國、美國、日本及歐盟等一些國家和組織正在進行試驗研究的重大課題。

　　1億度的高溫為何沒把外殼熔化？

　　在我國「人造太陽」取得的進展中，其所達到的1億度高溫引起了很多人的興趣。這樣的溫度究竟有多高？實在是難以想像。一個可以參考的對象是：太陽核心峰值時溫度約為1500萬攝氏度，中國「人造太陽」是太陽核心溫度的6倍。

　　其實，在科學家們在最開始嘗試核聚變反應時，已經在仔細考慮這個問題。因為超過萬度以上的等離子體不能用任何材料所構成的容器約束，使之不飛散，科學家們必須尋求某種途徑防止高溫等離子體逃逸或飛散。

　　經過不斷的研究，科學家們發現，具有閉合磁力線的環形磁場是一種最可能的選擇，因為在這種環境中帶電粒子只能沿磁力線運動。這種環形磁場也被科學界形象地稱之為磁籠。

　　從20世紀40年代末起，各國就開發了多種磁籠途徑。20世紀70年代開始，蘇聯科學家發明的託卡馬克裝置逐漸顯示出了獨特的優點，並在80年代成為聚變能研究的主流途徑。

磁籠（圖片來自網絡）

　　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。

　　高翔表示，等離子體的運動離不開磁力線，它們的溫度和能量再高，也只能在磁籠中沿著磁力線旋轉運動。他打了一個十分形象的比喻，我們完全可以把高溫離子體看作是一個個穿起來的糖葫蘆，當中間的串兒變成環形的，不管上面的「糖葫蘆」如何運動，溫度高到什麼地步，依舊只能在串上面運動。在聚變堆研究實驗中，只要設計好磁場，超高溫的離子就像賽道上跑的車，一定是在磁場這個懸浮的「賽道上」跑，不會和外圍的實體材料進行直接的碰撞。

　　另外，在設計中，儘管磁籠的中心可以達到1億度以上，但磁籠等離子體的溫度也是從中心到外圍遞減的，其最接近裝置的溫度已經降到了1萬度以下，而外邊的裝置通過水冷系統可以把溫度控制在150度到300度。

「人造太陽」點火裝置能量產生原理詳解

　　高翔說，在設計的託卡馬克裝置中，高能離子被磁籠完全束縛住無法逃身，就是有離子能夠逃離，一般也是能量很低的低溫離子，已經處於設備能夠承受的範圍。這也是磁籠中1億度、甚至是數億度高溫的等離子體不會導致磁籠外邊的容器等裝置被熔毀的重要原因。

　　1億度無法滿足核聚變利用要求

　　有媒體報導，考慮到氘和氚原子核發生聚變反應的條件，若要求氘、氚混合氣體中能產生大量核聚變反應，中心電子溫度必須達到1億度以上，因此很多人以為1億度是氘、氚聚變堆建設的最低要求。

　　高翔表示，這樣的看法並不正確。因為在現在技術水平下，1億度的溫度遠不能達到氘、氚能夠聚變利用的水平。考慮到氘和氚原子核能產生聚變反應的條件，若要求氘、氚混合氣體中能產生大量核聚變反應，溫度要求更高；若要達到經濟利用，則等離子體中心電子溫度必須達到4-5億度以上。

　　在這樣高的溫度下，氣體原子中帶負電的電子和帶正電的原子核完全脫開，可以實現各自的獨立運動。這種完全由自由的帶電粒子構成的超高溫等離子狀態中，密度、能量維持時間兩個參數也同時達到相應的要求，核聚變才能變成現實。

　　1億度的溫度是中國「人造太陽」工程的新紀錄，但中國和國際水平還有較大的差距，目前日本已經可以實現5億度的高溫，美國和歐洲也已經達到2億度以上的水平。

　　高翔說，現在中國的「人造太陽」也有自己的優勢，譬如與日本的裝置相比，中國屬於更新一代，雖然目前已經實現的溫度比他們要低得多，但是在某些方面更具有優勢。

　　或可破解「核電困局」

　　高翔說，受控熱核反應是聚變反應堆的基礎，聚變反應堆一旦成功，就有望向人類提供清潔而又取之不盡的能源。

　　物理學家們研究發現，核能可通過三種核反應中的任何一種進行釋放：其一是核裂變，即較重的原子核分裂釋放結合能；其二是核聚變，即較輕的原子核聚合在一起釋放結合能；其三是核衰變，這是原子核在自發衰變過程中釋放能量。

　　目前，人類已經大規模獲取核能源的是核裂變方式，其是利用原子核裂變反應的能量來發電（核電站）或作為動力驅動，如核動力航母等。核聚變有望被大規模利用，還處於研究過程之中。核衰變主要應用於放射性研究及其應用中。

　　我國已經是世界上裂變式核能利用大國之一。核裂變式核能利用的問題在於，存在強輻射威脅，防護要求很高，重核廢料也不容易處理，另外還存在核燃料鈾的開採和提料難等問題。與之相比，「人造太陽」不管是聚變中，還是聚變後，相關物質的核輻射威脅都要小得多，安全問題相對而言也更可控。

　　由於可控聚變反應需要的條件比較高，一旦發生事故，只是造成反應的等離子體約束破裂，聚變反應也會因為反應條件喪失而終止。因此，聚變燃料的保存運輸、聚變電站的運行都比較安全。並且聚變反應堆不產生汙染環境的硫、氮氧化物，不釋放溫室效應氣體。

　　科學界認為，若實現受控熱核聚變能大規模利用，將從根本上解決人類社會的能源問題。並且核聚變在技術上已經有了可行性。20世紀90年代，在歐洲、日本、美國的幾個大型託卡馬克裝置上，聚變能研究取得突破性進展。不論在等離子體溫度、在穩定性及在約束方面都已基本達到產生大規模核聚變的條件。這為人類利用核聚變能帶來了希望的曙光。

　　聚變原料取之不盡。其主要燃料中的氘在海水中大量存在，據估計海水中大約每6400個氫原子中就有一個氘原子，海水中氘的總量約45萬億噸。而每升海水中所含的氘完全聚變所釋放的聚變能相當於300升汽油燃料的能量，按世界消耗的能量計算，海水中氘的聚變能可用幾百億年。氚在自然界中十分稀有，但是可以由鋰製造，而鋰在地殼和海水中都大量存在。

　　據測算，1千克核聚變燃料所產生的電能大約等同於1.1萬噸煤炭，這意味著未來人類將能夠實現廉價獲取更為綠色清潔的能源夢想，對這類能源的追求也是未來全人類發展的大方向。因此，核聚變能被眾多國家寄予了厚望。（記者 李鵬 本專欄與「科普中央廚房」「科學加」客戶端合作建設 || 責任編輯 王小寧）