可控核聚變，終極能源咫尺天涯

據(jù)說，前沿科學領(lǐng)域有則冷笑話，大意是可控核聚變技術(shù)永遠都還有50年方能實現(xiàn)。

事實似乎的確如此，早在20世紀50年代第一顆氫彈試驗成功后，對可控核聚變的研究就已經(jīng)開始。

筆者年幼時所接觸的科普知識，也將這一技術(shù)描寫得觸手可及，可是，許多年過去了，仍然沒能成真。

近日，美國能源部宣布其下屬勞倫斯利弗莫爾國家實驗室成功完成“核聚變點火”，即通過慣性約束核聚變實現(xiàn)凈能量增益，這是一項具有里程碑意義的突破。

不過，盡管意義重大，但放眼可控核聚變技術(shù)全局，離真正運轉(zhuǎn)，乃至其后的商業(yè)化運營，還無比遙遠。

▲可控核聚變技術(shù)（示意圖）

眾所周知，研究和開發(fā)可控核聚變，正是因為它在理論上是一種極為優(yōu)質(zhì)的能源方式。

如今全球發(fā)電量占比約10%的核能發(fā)電，均基于核裂變技術(shù)，需要使用鈾作為原料，無論消耗多么徹底，都必定產(chǎn)生放射性核廢料，目前主要采取地下深埋處理，后患無窮。

同時，雖然能效超群，可鈾礦卻是不可再生資源，預計儲量僅夠再用100年。

核聚變可以完美破解這些問題，其所需的氘、氚可以從海水中提取，每立方千米海水中蘊藏的氘，超過地球上全部石油儲量所具備的總能量，以當前人類社會發(fā)展速度和地球上的海洋規(guī)模看，足夠消耗上百億年，甚至大于太陽的壽命。

核聚變與核裂變相反，是兩個較輕的原子在極高的溫度和壓力下，原子核發(fā)生聚合，期間釋放大量能量，并不會殘留任何放射性物質(zhì)。

而比起核裂變的鏈式反應(yīng)，可控核聚變條件更苛刻，極小的變量偏差將中止聚變過程，因此十分安全。當然，這里強調(diào)可控，不可控核聚變的代表是殘暴的氫彈。

▲中國全超導托卡馬克裝置（EAST）

不難看出，核聚變桀驁不馴。不同于它的對立面核裂變，核聚變喜歡走極端，要么一言不發(fā)，要么驚天動地。

核裂變縱然危險，但控制方法并不太難，比如用鎘棒吸收中子減緩或中止反應(yīng)，與之相比，核聚變很難用簡單的方法來控制。

僅是維持核聚變過程，就需要上億攝氏度的高溫，當下沒有材料可以承受。若要把強度約束得恰到好處，必定更加困難了。

根據(jù)目前的研究，可控核聚變主要有三種實現(xiàn)方法，分別是重力約束、慣性約束、磁力約束。

太陽是重力約束核聚變的典型代表，以龐大的體積達到高溫高壓，原理上很簡單，技術(shù)上不現(xiàn)實。由于太陽是天然核聚變的典型，可控核聚變也被譽為“人造太陽”。

慣性約束核聚變基于粒子的慣性作用，通俗地講，就是用激光轟擊核燃料，形成高溫高壓的等離子體，與此同時還會帶來大量反沖力，粒子來不及逃脫，只能在慣性作用下向心爆聚。

磁力約束核聚變以著名的托卡馬克裝置為代表，這一裝置形似甜甜圈，也猶如粒子加速器，高溫高壓的核聚變過程在磁力作用下懸空，在磁力影響下發(fā)生受控的核反應(yīng)。

▲“核聚變點火”首次實現(xiàn)凈能量增益

近日新聞中的“核聚變點火”屬于慣性約束核聚變，只是可控核聚變的一種路徑，但人們普遍認為，磁力約束核聚變積累的經(jīng)驗更多，可行性較大，也距實現(xiàn)更近。

目前世界最大的托卡馬克裝置是歐洲聯(lián)合環(huán)（JET），在其建成后不久的1985年，蘇聯(lián)倡議全球協(xié)作建設(shè)一個更大的托卡馬克裝置，即后來的國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆（ITER），30余個國家參與其中，預計2026年建成。

同時，包括中國在內(nèi)的各大國也在分別開展獨立研究。美國在慣性約束核聚變技術(shù)方面走在前列，有出于軍事方面的考量，亦是多管齊下進行科學探索的嘗試。

無論哪種方式，投入產(chǎn)出比才是關(guān)鍵。以當前的技術(shù)，人們基本能夠維持可控核聚變，但消耗大量能量，產(chǎn)出卻十分稀少。

這次所實現(xiàn)的凈能量增益，即增益Q值大于1，意指投入產(chǎn)出比達到了正值，為使可控核聚變成為能源提供了基礎(chǔ)支撐。不過，數(shù)據(jù)是相對的，投入的能量以激光為準，但制造激光也需要消耗大量能源，在總體上似乎還差強人意。

如今的技術(shù)突破只是尚處于初期的一小步，其后還有千千萬萬的難題。有人說，就像點燃火柴與制成發(fā)動機之間的距離。

ITER作為實驗堆，還需幾年時間才能投入運行，真正能夠發(fā)電的可控核聚變反應(yīng)堆則需更久。預計十余年后，可控核聚變電站才能商業(yè)化運行，200年后，人類才能完全掌握可控核聚變技術(shù)。

展望未來，可控核聚變看似近在眼前，實則還有很長的路要走。但付出是值得的，這種幾乎取之不盡、用之不竭的“終極能源”，或許將讓能源成為最便宜的商品，實現(xiàn)“能源自由”，繼而以十分經(jīng)濟的方式打開星際之門，催化人類文明的躍升。

（文內(nèi)圖片來自網(wǎng)絡(luò)）