劉興亮 | 極簡核聚變發展史

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我們都上過化學課，對化學方程式不陌生。

化學方程式描述了化學反應中分子的組成結構的變化。不同數量的原子經化學鍵鏈接在一起，成為分子。化學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。

兩個原子（實際不限于兩個或兩種）相遇后，原子核外部的電子會受到兩個原子核的吸引，博弈一番后形成彼此相交的穩定態，這就構成了分子。分子是不穩定的，容易在各種條件下（如加熱，催化劑、通電）發生分解和重組。這就是化學變化。

化學變化的本質是舊化學鍵的斷裂和新化學鍵的生成，導致新分子結構的產生。在這個過程中，原子們會重組，形成新的、具有不同屬性的分子。

值得注意的是，在這個過程中，組成化學分子的原子不會增加或減少，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性質的最小單位的元素。化學變化只是原子外圍松散的、形態上的變化，并不涉及原子本身。

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那么，倘若原子發生變化呢？事情就有些大了，就抽象得駭人聽聞了。進入絕對的微觀領域后，化學方程式就變成了質能方程。這時候需要用量子力學來承擔研究任務。

作為過渡，把量子力學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。

將量子力學用于研究原子結構屬于量子力學的應用領域，具體通常稱為原子物理學或量子化學。量子力學關注原子結構的特征和變化。原子所攜帶的能量，可以通過裂變或聚變產生巨大的釋放。我們之前在極簡核能發展史主要回顧了核裂變帶來的核能發展歷程，并提到了核聚變在近些年的技術進步。今天就簡單聊聊核聚變的發展歷程。

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先談談核聚變的原理。

原子包含有一個致密的原子核及若干圍繞在原子核周圍帶負電的電子。原子核由帶正電的質子和電中性的中子組成，帶負電荷的電子像行星圍繞太陽運轉一樣，圍繞帶正電荷的原子核運轉，在這個過程中庫侖力與離心力必須平衡。許多物質是由原子直接構成的。

要了解核聚變，還得從核裂變談起。

核裂變是指由質量較大的原子核，分裂成兩個或多個質量較小原子核的一種核反應形式。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，它就會分裂成2個（偶爾3個）較輕的原子核，同時釋放出2個（有時3個）新中子，并釋放出很大的能量——原子核結合能。

原子彈的原理，就是利用這種裂變的鏈式反應：當一個原子核發生裂變釋放出中子，這些中子又引發其他原子核的裂變，從而使裂變反應以指數形式連續不斷地進行下去的現象，繼而產生巨大的能量釋放，瞬間毀滅周圍一切。

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

核裂變會在瞬間形成巨大的破壞力，我們常被聯合國關于地球上有多少枚核彈的統計數據嚇得憂心忡忡，生怕這些炸彈哪天不慎起火。

與此相比，核聚變有巨大優勢，被譽為「人類終極能源」，核心優勢在于固有的安全性、幾乎取之不盡的燃料儲量以及對環境的友好性。

核裂變利用鏈式反應，一旦控制不當可能導致熔毀或失控事故，如切爾諾貝利和福島核電站事故所展示的那樣，帶來毀滅性的生態災難。然而，核聚變反應的發生和維持需要極其苛刻的溫度、密度和約束條件，只要反應堆的約束或加熱系統出現問題，反應條件將立即瓦解，聚變自動終止。

這種從根本上杜絕鏈式反應和熔毀風險的「固有安全」屬性，不僅是一個關鍵的技術特性，更是其未來大規模社會應用「通行證」。而且，核聚變反應不會產生像核裂變那樣長壽命的高放射性廢物，僅僅產生中子活化物質，其半衰期相對較短，處理難度和風險均大大降低。

這種技術上的天然優越性，為其未來的廣泛應用奠定了堅實的社會和政治基礎。如果核電廠的反應堆是聚變的反應堆，就很難發生核泄漏的災難。

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

然而要實現在地球上實現核聚變，面臨著極高的技術難題。簡單說就是要要創造出類似太陽核心的極端環境。這需要將物質加熱到上億攝氏度的超高溫，使其變為一種特殊的物質狀態——等離子體。

此時，原子核和電子被完全電離，成為自由移動的帶電粒子，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，等離子體還必須被約束在一個有限的空間內，以增加原子核相互碰撞的機會，撞上了，撞多了才能聚合。

就算理論上通暢，要實現卻難如登天。它的發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，美國核物理學家伽莫夫揭示了聚變反應中的「庫侖勢壘隧穿效應」，為熱核聚變研究指明了方向，為后續的實驗研究提供了科學藍圖。

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，澳大利亞物理學家奧利芬特首次在實驗室中實現了人工氘-氘（D-D）聚變反應。這些早期的實驗雖然消耗的能量遠大于產出的能量，無法用于發電，但它們標志著人類開始將聚變理論付諸實踐。

1938年，德國和美國猶太裔核物理學家漢斯·阿爾布雷希特·貝特提出了恒星內部「碳-氫循環」聚變理論，1942年又在美國普渡大學實現了首個D–T聚變反應。由于恒星核合成理論研究成果，他獲得了1967年諾貝爾物理學獎。

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實驗與武器化

1950年代，蘇聯莫斯科的庫爾恰托夫研究所的物理學家伊戈爾·塔姆、安德烈·薩哈羅夫和列夫·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，美國喬治核試驗首次實現了人工熱核聚變反應，當時使用了少量氘氚氣體。此次試驗產生了迄今為止最大的當量，達到225千噸，相當于「小男孩」號核彈的15倍。

1952年，美國在恩尼威托克島成功試爆首顆氫彈，實現了不可控聚變。核聚變武器化。

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聚變能（可控核聚變）的發展

1957年，英國物理學家勞森在日內瓦國際大會上給出了約束時間、密度與溫度的乘積必須超過一定值才能實現能量正平衡的條件。核聚變的三要素（溫度、密度、約束時間）構成了實現聚變點火的核心指標。

同在1957年，英國研發了世界第一臺核聚變裝置Zeta，盡管其發展未能達到預期，但此舉仍被視為人類可控核聚變發展史上的重要里程碑。與此同時，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。

1958年，美國的洛斯阿拉莫斯國家實驗室的「錫拉一號」裝置在實驗室中首次實現了熱核聚變。

1985年，國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃應運而生。作為有史以來最復雜的工程之一，ITER匯集了中、美、歐等七個成員國的資源，其核心目標是在工程層面驗證聚變發電的可行性。其成果仍在等待中。

1993年至1996年，在美國普林斯頓大學PPPL的TFTR實驗中，產生了1.6GJ（吉焦耳）的聚變能量。

2021年，中國EAST實驗裝置于實現了長達1056秒的長脈沖高參數等離子體穩定運行，其離子溫度在2018年就已突破1億攝氏度。此外，中國自主設計建造的新一代磁約束核聚變實驗裝置中國環流器二號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奠定基礎。

2023年，位于英國的歐洲聯合環（JET）創造了新的世界紀錄，在約5秒內持續產生了69兆焦耳的能量。這是迄今為止人類從核聚變實驗中獲得的最大能量值。

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當前的核聚變技術似乎面臨突破瓶頸的關頭，「人造太陽」的實現變得日益可能。當可控核聚變轉變為能量的一天到來，困擾人類的能源再生問題或許不復存在。

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