劉興亮 | 極簡(jiǎn)核聚變發(fā)展史

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我們都上過化學(xué)課，對(duì)化學(xué)方程式不陌生。

化學(xué)方程式描述了化學(xué)反應(yīng)中分子的組成結(jié)構(gòu)的變化。不同數(shù)量的原子經(jīng)化學(xué)鍵鏈接在一起，成為分子。化學(xué)鍵由相反電荷間的電磁力引起，電荷可能來自電子和原子核，或由偶極子造成。

兩個(gè)原子（實(shí)際不限于兩個(gè)或兩種）相遇后，原子核外部的電子會(huì)受到兩個(gè)原子核的吸引，博弈一番后形成彼此相交的穩(wěn)定態(tài)，這就構(gòu)成了分子。分子是不穩(wěn)定的，容易在各種條件下（如加熱，催化劑、通電）發(fā)生分解和重組。這就是化學(xué)變化。

化學(xué)變化的本質(zhì)是舊化學(xué)鍵的斷裂和新化學(xué)鍵的生成，導(dǎo)致新分子結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。在這個(gè)過程中，原子們會(huì)重組，形成新的、具有不同屬性的分子。

值得注意的是，在這個(gè)過程中，組成化學(xué)分子的原子不會(huì)增加或減少，原子自身也沒有變化。原子之所以為原子，就在于它是能保持其化學(xué)性質(zhì)的最小單位的元素。化學(xué)變化只是原子外圍松散的、形態(tài)上的變化，并不涉及原子本身。

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那么，倘若原子發(fā)生變化呢？事情就有些大了，就抽象得駭人聽聞了。進(jìn)入絕對(duì)的微觀領(lǐng)域后，化學(xué)方程式就變成了質(zhì)能方程。這時(shí)候需要用量子力學(xué)來承擔(dān)研究任務(wù)。

作為過渡，把量子力學(xué)用于分子與原子中電子的類波行為的研究被稱作量子化學(xué)。

將量子力學(xué)用于研究原子結(jié)構(gòu)屬于量子力學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域，具體通常稱為原子物理學(xué)或量子化學(xué)。量子力學(xué)關(guān)注原子結(jié)構(gòu)的特征和變化。原子所攜帶的能量，可以通過裂變或聚變產(chǎn)生巨大的釋放。我們之前在極簡(jiǎn)核能發(fā)展史主要回顧了核裂變帶來的核能發(fā)展歷程，并提到了核聚變?cè)诮┠甑募夹g(shù)進(jìn)步。今天就簡(jiǎn)單聊聊核聚變的發(fā)展歷程。

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先談?wù)労司圩兊脑怼?/p>

原子包含有一個(gè)致密的原子核及若干圍繞在原子核周圍帶負(fù)電的電子。原子核由帶正電的質(zhì)子和電中性的中子組成，帶負(fù)電荷的電子像行星圍繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)一樣，圍繞帶正電荷的原子核運(yùn)轉(zhuǎn)，在這個(gè)過程中庫侖力與離心力必須平衡。許多物質(zhì)是由原子直接構(gòu)成的。

要了解核聚變，還得從核裂變談起。

核裂變是指由質(zhì)量較大的原子核，分裂成兩個(gè)或多個(gè)質(zhì)量較小原子核的一種核反應(yīng)形式。核電廠的能量就是來源于核裂變。用中子轟擊易裂變的如鈾-235原子核，它就會(huì)分裂成2個(gè)（偶爾3個(gè)）較輕的原子核，同時(shí)釋放出2個(gè)（有時(shí)3個(gè)）新中子，并釋放出很大的能量——原子核結(jié)合能。

原子彈的原理，就是利用這種裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)：當(dāng)一個(gè)原子核發(fā)生裂變釋放出中子，這些中子又引發(fā)其他原子核的裂變，從而使裂變反應(yīng)以指數(shù)形式連續(xù)不斷地進(jìn)行下去的現(xiàn)象，繼而產(chǎn)生巨大的能量釋放，瞬間毀滅周圍一切。

與核裂變相反，核聚變是兩個(gè)輕原子核結(jié)合成一個(gè)較重的原子核并釋放出巨大能量的過程（反正只要是原子發(fā)生變化，就要釋放巨能）。核聚變反應(yīng)發(fā)生在一種被稱為等離子體的物質(zhì)狀態(tài)中——一種由正離子和自由移動(dòng)的電子組成的高溫帶電氣體，具有不同于固體、液體或氣體的獨(dú)特性質(zhì)。

核裂變會(huì)在瞬間形成巨大的破壞力，我們常被聯(lián)合國關(guān)于地球上有多少枚核彈的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)嚇得憂心忡忡，生怕這些炸彈哪天不慎起火。

與此相比，核聚變有巨大優(yōu)勢(shì)，被譽(yù)為「人類終極能源」，核心優(yōu)勢(shì)在于固有的安全性、幾乎取之不盡的燃料儲(chǔ)量以及對(duì)環(huán)境的友好性。

核裂變利用鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，一旦控制不當(dāng)可能導(dǎo)致熔毀或失控事故，如切爾諾貝利和福島核電站事故所展示的那樣，帶來毀滅性的生態(tài)災(zāi)難。然而，核聚變反應(yīng)的發(fā)生和維持需要極其苛刻的溫度、密度和約束條件，只要反應(yīng)堆的約束或加熱系統(tǒng)出現(xiàn)問題，反應(yīng)條件將立即瓦解，聚變自動(dòng)終止。

這種從根本上杜絕鏈?zhǔn)椒磻?yīng)和熔毀風(fēng)險(xiǎn)的「固有安全」屬性，不僅是一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)特性，更是其未來大規(guī)模社會(huì)應(yīng)用「通行證」。而且，核聚變反應(yīng)不會(huì)產(chǎn)生像核裂變那樣長(zhǎng)壽命的高放射性廢物，僅僅產(chǎn)生中子活化物質(zhì)，其半衰期相對(duì)較短，處理難度和風(fēng)險(xiǎn)均大大降低。

這種技術(shù)上的天然優(yōu)越性，為其未來的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的社會(huì)和政治基礎(chǔ)。如果核電廠的反應(yīng)堆是聚變的反應(yīng)堆，就很難發(fā)生核泄漏的災(zāi)難。

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假如你覺得核聚變過于抽象的話，我用一個(gè)肉眼可見的事實(shí)告訴你它的作用有多巨大：萬物生長(zhǎng)靠太陽，太陽那團(tuán)巨大的火球和宇宙中其他恒星都是由核聚變反應(yīng)所驅(qū)動(dòng)的。想想我們，哪怕地球在自傳過程中稍微偏一點(diǎn)，導(dǎo)致地面受熱面積縮小或變大，人就會(huì)感覺到嚴(yán)寒或酷熱，帶來地球的四個(gè)季節(jié)。核聚變的力量是不是直觀了許多。

然而要實(shí)現(xiàn)在地球上實(shí)現(xiàn)核聚變，面臨著極高的技術(shù)難題。簡(jiǎn)單說就是要要?jiǎng)?chuàng)造出類似太陽核心的極端環(huán)境。這需要將物質(zhì)加熱到上億攝氏度的超高溫，使其變?yōu)橐环N特殊的物質(zhì)狀態(tài)——等離子體。

此時(shí)，原子核和電子被完全電離，成為自由移動(dòng)的帶電粒子，從而克服原子核之間相互排斥的庫侖力。為了在這種極端高溫下維持聚變反應(yīng)，等離子體還必須被約束在一個(gè)有限的空間內(nèi)，以增加原子核相互碰撞的機(jī)會(huì)，撞上了，撞多了才能聚合。

就算理論上通暢，要實(shí)現(xiàn)卻難如登天。它的發(fā)展還要退回到核能研究的早期階段。

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早期理論

1920年，英國物理學(xué)家亞瑟·愛丁頓提出恒星的能量可能來源于氫氦聚變。

1928年，美國核物理學(xué)家伽莫夫揭示了聚變反應(yīng)中的「庫侖勢(shì)壘隧穿效應(yīng)」，為熱核聚變研究指明了方向，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究提供了科學(xué)藍(lán)圖。

1929年，英國的阿特金森和奧地利的奧特斯曼等人從理論上計(jì)算了氫聚變生成氦的條件，明確了熱核聚變研究方向。

1934年，澳大利亞物理學(xué)家奧利芬特首次在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)了人工氘-氘（D-D）聚變反應(yīng)。這些早期的實(shí)驗(yàn)雖然消耗的能量遠(yuǎn)大于產(chǎn)出的能量，無法用于發(fā)電，但它們標(biāo)志著人類開始將聚變理論付諸實(shí)踐。

1938年，德國和美國猶太裔核物理學(xué)家漢斯·阿爾布雷希特·貝特提出了恒星內(nèi)部「碳-氫循環(huán)」聚變理論，1942年又在美國普渡大學(xué)實(shí)現(xiàn)了首個(gè)D–T聚變反應(yīng)。由于恒星核合成理論研究成果，他獲得了1967年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

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實(shí)驗(yàn)與武器化

1950年代，蘇聯(lián)莫斯科的庫爾恰托夫研究所的物理學(xué)家伊戈?duì)枴に贰驳铝摇に_哈羅夫和列夫·阿齊莫維齊等人提出的著名的托卡馬克（Tokamak）方案，在等離子體參數(shù)上取得了令人驚嘆的成果，迅速成為全球磁約束聚變研究的主流方向。

1951年，美國喬治核試驗(yàn)首次實(shí)現(xiàn)了人工熱核聚變反應(yīng)，當(dāng)時(shí)使用了少量氘氚氣體。此次試驗(yàn)產(chǎn)生了迄今為止最大的當(dāng)量，達(dá)到225千噸，相當(dāng)于「小男孩」號(hào)核彈的15倍。

1952年，美國在恩尼威托克島成功試爆首顆氫彈，實(shí)現(xiàn)了不可控聚變。核聚變武器化。

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聚變能（可控核聚變）的發(fā)展

1957年，英國物理學(xué)家勞森在日內(nèi)瓦國際大會(huì)上給出了約束時(shí)間、密度與溫度的乘積必須超過一定值才能實(shí)現(xiàn)能量正平衡的條件。核聚變的三要素（溫度、密度、約束時(shí)間）構(gòu)成了實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火的核心指標(biāo)。

同在1957年，英國研發(fā)了世界第一臺(tái)核聚變裝置Zeta，盡管其發(fā)展未能達(dá)到預(yù)期，但此舉仍被視為人類可控核聚變發(fā)展史上的重要里程碑。與此同時(shí)，世界各國開始密集投入可控核聚變研究。注意！只有可控的核聚變才能安全地為人類服務(wù)。

1958年，美國的洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的「錫拉一號(hào)」裝置在實(shí)驗(yàn)室中首次實(shí)現(xiàn)了熱核聚變。

1985年，國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃應(yīng)運(yùn)而生。作為有史以來最復(fù)雜的工程之一，ITER匯集了中、美、歐等七個(gè)成員國的資源，其核心目標(biāo)是在工程層面驗(yàn)證聚變發(fā)電的可行性。其成果仍在等待中。

1993年至1996年，在美國普林斯頓大學(xué)PPPL的TFTR實(shí)驗(yàn)中，產(chǎn)生了1.6GJ（吉焦耳）的聚變能量。

2021年，中國EAST實(shí)驗(yàn)裝置于實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)1056秒的長(zhǎng)脈沖高參數(shù)等離子體穩(wěn)定運(yùn)行，其離子溫度在2018年就已突破1億攝氏度。此外，中國自主設(shè)計(jì)建造的新一代磁約束核聚變實(shí)驗(yàn)裝置中國環(huán)流器二號(hào)M（HL-2M）也已將等離子體離子溫度提升至1.5億度，為未來聚變堆的建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

2023年，位于英國的歐洲聯(lián)合環(huán)（JET）創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄，在約5秒內(nèi)持續(xù)產(chǎn)生了69兆焦耳的能量。這是迄今為止人類從核聚變實(shí)驗(yàn)中獲得的最大能量值。

08

當(dāng)前的核聚變技術(shù)似乎面臨突破瓶頸的關(guān)頭，「人造太陽」的實(shí)現(xiàn)變得日益可能。當(dāng)可控核聚變轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰康囊惶斓絹恚_人類的能源再生問題或許不復(fù)存在。

不過凡事都有兩面，我不禁又有些擔(dān)憂，假如每個(gè)國家都在自己的國土上制造「太陽」，固然解決了電力、動(dòng)力和人類生存需要的一切能源，可是這些太陽會(huì)不會(huì)讓本已具備室溫效應(yīng)的地球變得更熱呢？四季會(huì)不會(huì)消失，以至地球永遠(yuǎn)如春天般溫暖呢？